張鋒團隊CRISPR基因編輯系統可減少脫靶效應

今日，CRISPR-Cas基因編輯系統的先驅之一張鋒教授在《自然》子刊《Nature Communications》發布一項重要進展，報告了第三個可以編輯人類細胞基因組的CRISPR-Cas系統：CRISPR-Cas12b。

多功能基因組編輯系統CRISPR-Cas的問世，掀起了一場生物技術革命。在科學研究和醫療研發方面，這套基因編輯工具得到廣泛應用，以此為基礎的基因編輯療法也展開臨床試驗，在治療人類遺傳病方面初現潛力。

這一系統中的“元老”成員就是我們已經熟悉的Cas9。不過Cas9也並非沒有限制，比如切割非靶點序列的脫靶效應就是一個問題。鑒於CRSPR-Cas系統在微生物中廣泛存在，科學家們將Cas蛋白的類型範圍不斷擴大，尋找新秀，例如Cas12a。

▲2017年1月，張鋒教授與NIH兩位科學家在《Cell》發文，詳細歸納了2類CRISPR系統的特點和作用機制（圖片來源：參考資料[2]）

在與Cas9、Cas12a同屬2類CRISPR系統的Cas蛋白中，還有一個富有潛力的成員，就是Cas12b（過去被稱為C2c1）。Cas12b蛋白比Cas9和Cas12a更小，因此更容易通過病毒載體實現細胞間遞送。

雖然有這樣的優勢，Cas12b的開發卻遇到了一個阻礙。性能最佳的Cas12b來自一種嗜酸耐熱菌（Alicyclobacillus acidoterrestris），但它作為DNA裂解酶的最佳活性需要高達48℃。也就是說，如果放進哺乳動物細胞內，達不到這種Cas12b的溫度要求，酶活性就不能發揮。怎麽“解鎖”這種Cas蛋白呢？

▲Cas9、Cas12a、Cas12b三種核酸酶的基因序列模式圖和蛋白質結構示意圖（圖片來源：參考資料[1]）

為了適用於人類基因組編輯，張鋒教授和同事們首先在Cas12b蛋白家族中尋找喜歡常溫的成員。最終，根據同源序列比對，他們從一種叫作外村尚芽孢杆菌（Bacillus hisashii）的細菌中鑒定出了在人體體溫（37℃時）能保持核酸酶活性的BhCas12b。並且，研究人員還通過調整指導RNA（sgRNA）的結構，讓Cas12b的效率得到大幅提升。

可是，新的問題來了。體外切割實驗發現，原始結構的Cas12b在DNA雙鏈斷裂時會切割非靶標單鏈，並且溫度越低，這種錯誤發生得越多。為了解決這個問題，研究者對Cas12b進行了工程改造。根據蛋白質晶體結構的線索，研究人員通過4個點突變，得到了重新設計的新Cas12b，讓酶的活性位點更容易和DNA靶序列接近。

經過重新設計的Cas12b，基因組編輯的潛能如何呢？在細胞培養實驗中，研究人員針對多個基因的多個靶序列考察了Cas12b的編輯效率。對隨機引入插入缺失的分析結果顯示，新的Cas12b的編輯效率與Cas9和Cas12a相當、甚至更高，足以在人體細胞中作為可編程的基因組編輯工具。

除了有效性，特異性對於一款強大的基因組編輯工具來說也非常重要。這一點，研究團隊也在人類細胞中利用GUIDE-seq技術對全基因組範圍內的脫靶效應進行了檢測。結果表明，相比常用的Cas9，Cas12b導致的錯誤插入缺失都要少得多，脫靶性顯著降低。

▲GUIDE-seq分析顯示，重新設計的Cas12b沒有出現Cas9那樣的脫靶效應（圖片來源：參考資料[1]）

研究團隊相信，在繼Cas9和Cas12a之後，改造的Cas12b將以其分子量小和靶向特異性高的兩大特點，成為又一款在體編輯人類基因組的有力工具。並且，這一顯著提升Cas12b效率的改造工程也為解鎖更多CRISPR工具提供了富有啟發的指導。

我們再次祝賀張鋒教授團隊給CRISPR領域帶來的新突破！