又见张锋:基因修饰技术再现新突破

2016-06-08 玉宝 知识分子 知识分子

张锋。 图片来源: Stan Grazier


编者按:       

       “基因编辑技术领域的进展太快,感觉比现实中的时间要快数倍。”加州大学戴维斯分校的细胞生物学家Paul S. Knoepfler在《纽约时报》6月3日发表的报道中表示。此言不虚。上个月,河北科技大学的韩春雨刚刚显著推进了编辑DNA的基因修饰技术:NgAgo。6月2日,华人科学家张锋又宣布发现了一种编辑RNA的基因编辑工具CRISPR-C2c2,他表示,“ C2c2是‘CRISPR工具箱’研发中的里程碑。”“C2c2的应用前景具有多种可能性,我们很高兴可以为生物医学研究提供这一类工具”。


撰文 | 玉宝 

责编 | 王承志 陈晓雪


  


CRISPR-Cas系统用来编辑DNA的技术已非常成熟,成为全世界各大实验室的主流基因编辑工具。最近,麻省理工学院博德研究所的核心研究员张锋和其合作者证实,CRISPR也可以用来编辑RNA。


6月2日,《科学》(Science)杂志在线发文,报道了张锋等人在CRISPR-C2c2这一RNA介导的RNA编辑系统方面的研究成果。 


CRISPR-C2c2系统能够根据靶向序列特异地编辑单链RNA。C2c2,全称为Class 2 type VI-A CRISPR-Cas effector,同家族的Cpf1 (18), C2c1, and C2c3并无编辑RNA的功能。2015年12月,张锋曾经在《分子细胞》(Molecular Cell)发文,系统梳理过C2c2等四个核酸酶的功能。


CRISPR是一种半数细菌都具有的免疫系统。细菌可以借此抵御噬菌体和其它微生物的攻击。学界使用广泛的CRISPR-Cas9是专门靶向DNA的基因编辑系统。目前CRISPR领域的研究主要聚焦于改进编辑DNA的Cas9系统,研究RNA编辑系统的实验室比较少。


C2c2是第一个被发现的靶向RNA的CRISPR系统,2015年10月张锋团队即发现了这个特异的系统。C2c2来自一种纤毛菌 Leptotrichia shahii,含有HEPN结构域。该结构域只存在于RNA酶中。这使研究人员猜测C2c2也具有RNA酶活性。他们在大肠杆菌中证明了这一点。


首先,他们将C2c2和针对某种RNA的噬菌体特异的间隔序列导入大肠杆菌中,然后用这种噬菌体感染细菌。噬菌体是一种可以感染并杀死细菌的病毒。实验发现,细菌可以良好地生长,这说明噬菌体的RNA被降解了。如果将间隔序列换成了别的序列,则细菌会被噬菌体感染而无法正常生长。如果将C2c2的HEPN结构域中关键的区域突变掉,会使细菌丧失对噬菌体的抵抗性。体外的生化实验也表明C2c2具有RNA酶活性,而且依赖于HEPN结构域。


C2c2的RNA酶的关键位点已经被找到,其引导RNA的结构也可以被设计。这使得C2c2可以被改造成良好的RNA编辑工具。例如,将其酶活性位点突变后,C2c2可以结合特定RNA而不能切割它,这可以使研究人员可以方便地使用荧光标记想要研究的RNA。并且C2c2系统具有高通量的特点,可以更广泛地用于基础研究,并推动对人类复杂性状疾病的发病机制研究。


C2c2这个RNA酶的发现,开拓了CRISPR系统的应用范围。它可以用来标记、修饰、和剪切细胞中的RNA。经过一系列实验,张锋团队证明 C2c2可以剪切单链RNA,并且可以直接在细菌活体内做剪切;但C2c2剪切不了双链RNA。


研究人员还发现了C2c2另外一个有趣的特性:当其将靶序列剪切后,它对非靶序列的其它RNA序列也有一定的降解功能。敏锐的研究人员发现了这一点后,认为细菌可能存在不同于CRISPR系统的RNA免疫系统。这是下一步研究的方向和重点。而对于需要精确编辑RNA的工具来说,这个特性未来需要被克服。


基因敲降(gene knockdown)工具当中,目前应用最广泛的是RNA干扰技术。未来该技术有可能被C2c2这类RNA编辑系统取代。C2c2系统具有更高的特异性和敲降效率。它具有两个主要优势:

1. C2c2是一个2元件组成的CRISPR系统,只需要设计起引导作用的RNA序列即可。

2. C2c2基因本身可以被转录和翻译,预示着细胞或细菌中可以做C2c2基因的转基因。


目前CRISPR基因编辑工具越来越完善和齐全了。CRISPR-Cas9对细胞中基因组的遗传改变可以永久性的,而CRISPR- C2c2却可以临时改变相应基因的调控和表达。C2c2系统由于需要28nt的序列做引导,比前者具有更高的特异性;同时,C2c2系统具有更多的基因编辑功能,可以操纵RNA的功能和翻译,也可以用于高通量筛选,制作生物芯片等。


“ C2c2是‘CRISPR工具箱’研发中的里程碑”,在麻省理工学院的新闻中,张锋自我评价道,“C2c2的应用前景具有多种可能性,我们很高兴可以为生物医学研究提供这一类工具”。值得期待的是,C2c2这个工具的发现,将有助于生物学家研究RNA在细胞中的精细功能,也有助于人类疾病发病机理的研究。


参考文献:

1.O.O. Abudayyeh et al., “C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector,” Science, doi:10.1126/science.aaf5573, 2016.

2.Broad Institute. “New CRISPR system for targeting RNA” ,June 2, 2016

http://news.mit.edu/2016/new-crispr-system-targeting-rna-0602

3.Discovery and Functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems

 http://www.cell.com/molecular-cell/pdf/S1097-2765(15)00775-3.pdf

4.Scientists Find Form of Crispr Gene Editing With New Capabilities,http://www.nytimes.com/2016/06/04/science/rna-c2c2-gene-editing-dna-crispr.html?_r=1


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更新 6月9日 21:56