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张锋Science再抛重磅:“魔剪” CRISPR可用于编辑人类细胞RNA单个碱基
发布者:biorun 发布时间:2017/10/30 9:07:43 阅读:421

导读
Broad研究所的张锋是CRISPR领域的大神级科学家。继本月初在Nature杂志发表重要论文证实“新魔剪”CRISPR/Cas13a能够用于编辑哺乳动物细胞RNA后,10月25日,他带领的团队又在Science上发表了一项最新成果。论文描述了一种可编辑人类细胞RNA单个碱基的全新基因编辑系统!


图片来源:网络

与目前被全球科学家广泛使用的编辑DNA的Cas9酶不同,张锋团队最早在去年6月的一篇Science论文中首次证实,Cas13a酶能够用于切割细菌中特定的RNA序列。之后,Cas13酶家族迅速成了该领域研究者们关注的一个热点方向。

10月4日,张锋团队又用1篇Nature论文证实了CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中“编辑RNA”。研究发现,一种被称为LwaCas13a的酶使研究者们能够以比当前的RNA敲低工具更强的特异性在目标RNA上切割特定的位点。【详细报道

Broad研究所的报道称,证实CRISPR-Cas13a能够在哺乳动物细胞中安全、有效地“工作”是利用该系统研究人类生物学和疾病的非常关键的一步。而最新发表的这篇Science论文中描述的能够编辑人类细胞RNA单个碱基的全新基因编辑系统——REPAIR——无疑是该领域的又一重要进展。因为,这类基因编辑具有治疗人类疾病但不会永久影响基因组的潜能。


图片来源:Science

全新系统,如何设计?

REPAIR的全称为RNA Editing for Programmable A to I Replacement。为了创建这一系统,研究人员筛选了CRISPR-Cas13酶家族,最终选择了来自普氏菌属细菌(Prevotella bacteria)的PspCas13b。然后,他们设计了PspCas13b的一种失活突变体。该突变体虽然能够结合特定的RNA片段,但是失去了 “剪刀”活性。研究小组将这种突变体与一种叫做ADAR2的蛋白质融合在一起。ADAR2能够将RNA中的A转变成I。

总结来说,在REPAIR系统中,失活的PspCas13b酶负责找出RNA上的目标序列,而ADAR2负责执行碱基转换(A-to-I)。


图片来源:Broad研究所

A变成I,有何意义?

那么,A是什么?I是什么?将A转变为I又有何意义呢?在回答这些问题前,我们先回顾一下关于RNA的一些基本概念。RNA,即核糖核酸,是由“核糖核苷酸”经磷酸二酯键缩合而成长链状分子。一个核糖核苷酸分子由磷酸,核糖和碱基构成。RNA的碱基主要有4种:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)。

根据前文的介绍,REPAIR系统的功能是将A转变为I。I是inosines的缩写,中文翻译为肌苷,能够被细胞识别为G。事实上,在人类疾病中,从G到A的突变是非常普遍的。这种突变与局灶性癫痫、杜氏肌营养不良症以及帕金森病等疾病有关。REPAIR系统有望能够在不影响附近其它核苷酸的前提下,逆转任何致病G-to-A突变的影响,并且,这种操作有可能在任何细胞类型中实现。


Credit : Broad Communications, Susanna M. Hamilton

实际操作,效率如何?

研究中,为了提高这类新基因编辑系统的特异性,科学家们还开发了升级版的REPAIRv2。这使得在全转录组中可检测到的脱靶编辑(即,没有实现预想的编辑)从18,385降低至仅20个。此外,研究还证实,REPAIRv2能够实现对一个目标RNA最高达51%的理想编辑(desired edit)。

为了证明REPAIR的治疗潜力,研究小组合成了导致Fanconi贫血症和X连锁肾源性尿崩症(X-linked nephrogenic diabetes insipidus)的致病突变,并将它们引入到人类细胞中,且最终成功在RNA水平修复了这些突变。


图片来源:Zhang lab

展望未来,有何计划?

与DNA编辑所引发的基因组的永久改变不同,RNA编辑提供了一种更安全、更灵活的在细胞中纠正“错误”方法。论文的共同第一作者Omar Abudayyeh说:“这一系统的成功是令人鼓舞的。”

张锋认为,纠正致病突变是基因组编辑技术发展的主要目标之一。为了推动REPAIR在疾病治疗中的应用,研究小组计划进一步提高系统的有效性。此外,他们也在探索能够实现其它类型碱基之间转变的基因编辑工具。

最后,值得一提的是,Broad研究所官网新闻表示,张锋及其所在机构计划广泛共享REPAIR系统,使这项技术免费用于学术研究。

参考资料:

Researchers engineer CRISPR to edit single RNA letters in human cells

RNA editing with CRISPR-Cas13

核糖核酸

 
 

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