近日，基因編輯領(lǐng)域先驅(qū)張鋒教授團(tuán)隊(duì)在頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表突破性研究，該團(tuán)隊(duì)在動物中發(fā)現(xiàn)能對人類基因組進(jìn)行編輯、類似于CRISPR的基因編輯系統(tǒng)。其中的Fanzor蛋白是首次在真核生物中發(fā)現(xiàn)受RNA引導(dǎo)的DNA切割酶！根據(jù)麻省理工學(xué)院（MIT）新聞稿，通過進(jìn)一步的優(yōu)化，F(xiàn)anzor有望成為較現(xiàn)有CRISPR/Cas系統(tǒng)更為精確、更易被遞送至人類細(xì)胞的基因編輯工具！

Fanzor蛋白的發(fā)現(xiàn)

CRISPR-Cas最早是在原核生物（即細(xì)菌和其他缺乏細(xì)胞核的單細(xì)胞生物）中被發(fā)現(xiàn)的。長久以來，包含張鋒教授在內(nèi)的科學(xué)家一直想知道類似的系統(tǒng)是否也存在于真核生物（包含藻類、真菌、動植物在內(nèi)具細(xì)胞核的生物）當(dāng)中。在探索這個(gè)問題的過程中，張鋒教授團(tuán)隊(duì)在2021年于《科學(xué)》雜志上報(bào)道了在部分微生物基因組中的轉(zhuǎn)座子（transposons），存有一類新的RNA引導(dǎo)核酸酶，并將之命名為OMEGA。轉(zhuǎn)座子也被稱為“跳躍基因”，因?yàn)樗鼈兛梢栽谡麄€(gè)基因組中移動和復(fù)制、粘貼自己。

通過進(jìn)行分子系譜的分析，張鋒教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)OMEGA家族中的TnpB蛋白可能是CRISPR-Cas12內(nèi)切酶以及真核生物蛋白Fanzor的祖先，這使得科學(xué)家懷疑也許Fanzor也具有基因編輯的能力。論文的共同第一作者M(jìn)akotoSaito博士便主導(dǎo)了對Fanzor蛋白生化特性的分析，并證實(shí)這類蛋白是可切割DNA的核酸內(nèi)切酶，具有類似Cas內(nèi)切酶中用以讓指導(dǎo)RNA（gRNA）滑入的溝槽，其可利用鄰近被稱為ωRNA的非編碼RNA（non-codingRNA）對基因組中的特殊位點(diǎn)進(jìn)行靶向切割。

通過使用公開的遺傳學(xué)數(shù)據(jù)庫，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)在包括藻類、真菌、植物和某些軟體動物在內(nèi)的一系列生物中皆存有Fanzor蛋白的證據(jù)。此外，他們還在包含巨型病毒的一些病毒中發(fā)現(xiàn)這類蛋白。通過低溫電子顯微鏡以達(dá)2.7?的解析度對真菌Spizellomycespunctatus中的Fanzor蛋白（SpuFz）進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)anzor和TnpB、Cas12蛋白的核心區(qū)域具保守性，顯示Fanzor是存于真核生物、類似于OMEGA的系統(tǒng)，證明RNA引導(dǎo)的核酸內(nèi)切酶不僅存在于原核生物，亦存在于真核生物內(nèi)。

“RNA引導(dǎo)的核酸酶比我們預(yù)想的更加豐富和廣泛。它們不是CRISPR系統(tǒng)所獨(dú)有的，也不僅限于原核生物中的轉(zhuǎn)座子，可能還存有更多的可能。”康奈爾大學(xué)研究員AilongKe博士在寫給行業(yè)媒體Endpoints的郵件當(dāng)中評論道。

Fanzor蛋白的特性

進(jìn)一步分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)anzor蛋白可對人類細(xì)胞基因組的特定位點(diǎn)進(jìn)行靶向的插入（insertions）與缺失（deletions）編輯。在所檢測的4種蛋白中，有3種的RNA-Fanzor內(nèi)切酶配對組可以高達(dá)11.8%的效率對特定DNA序列進(jìn)行編輯，而實(shí)際的效率則取決于所使用的蛋白類型及其靶向的基因。這一水平與早期版本的CRISPR系統(tǒng)相當(dāng)，但低于目前優(yōu)化過后的系統(tǒng)。

Fanzor蛋白的低溫電子顯微鏡圖

通過工程化技術(shù)，研究人員對SpuFz蛋白作進(jìn)一步的優(yōu)化，并確定了三個(gè)可以改進(jìn)此蛋白基因編輯效率的突變，使之能夠?qū)ζ渲幸粋€(gè)靶標(biāo)達(dá)到18.4%的編輯效率，盡管大多數(shù)靶標(biāo)的編輯效率仍僅有約10%到15%。然而，當(dāng)研究人員將突變組合引入到蛋白質(zhì)中時(shí)，可使其活性提高約10倍。

在今日《自然》研究發(fā)布的兩周前，原張鋒教授團(tuán)隊(duì)成員OmarAbudayyeh和JonathanGootenberg博士在預(yù)印本bioRxiv上發(fā)布了類似的研究，并將所發(fā)現(xiàn)的蛋白命名為HERMES（Horizontally-transferredEukaryoticRNA-guidedMobileElementSystems）。兩位科學(xué)家的研究多聚焦于尋找真核生物中不同類型的Fanzor蛋白并對其進(jìn)行分類。此外，他們還發(fā)現(xiàn)這類蛋白含有核定位信號（nuclearlocalizationsignals）與含有基因的內(nèi)含子（genescapturedintrons），顯示這類蛋白具有廣泛、長期適應(yīng)真核細(xì)胞功能的特征。

Fanzor蛋白的潛在優(yōu)勢

與一些CRISPR系統(tǒng)和OMEGA蛋白TnpB相比，張鋒教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)真菌來源的Fanzor蛋白并沒有表現(xiàn)出“附帶活性（collateralactivity）”。附帶活性指的是當(dāng)RNA引導(dǎo)的內(nèi)切酶靶向切割DNA時(shí)，會同時(shí)降解鄰近的DNA或RNA。因此Fanzor蛋白具有被開發(fā)為更具專一性、更有效率基因編輯器的潛力。

與最常被使用于CRISPR系統(tǒng)的Cas9蛋白（約含1000-1600個(gè)氨基酸）相較，F(xiàn)anzor蛋白同時(shí)也具有較小的尺寸，僅含有400-700個(gè)氨基酸。當(dāng)基因編輯器的尺寸越大便越難以被遞送入體內(nèi)。像是堿基編輯（baseediting）和先導(dǎo)編輯（primeediting）這類下一代基因編輯器是通過將Cas9與其他酶相結(jié)合以達(dá)成對基因組更精準(zhǔn)的調(diào)控，因此內(nèi)切酶的尺寸大小對這類編輯器的開發(fā)尤為關(guān)鍵。

Broad研究所所長ToddGolub博士

雖然距離Fanzor蛋白被應(yīng)用于療法開發(fā)仍有一大段路要走，也需要更多的科學(xué)研究對此蛋白進(jìn)行優(yōu)化。然而在真核生物中所發(fā)現(xiàn)的基因編輯系統(tǒng)，具有更能在如人類基因組這樣大型、復(fù)雜系統(tǒng)高效運(yùn)作的潛在能力。正如同Broad研究所所長ToddGolub博士在2022年藥明康德全球論壇上所表示，堿基編輯和CRISPR介導(dǎo)的基因編輯將擁有無限潛力。同時(shí)并鑒于CRISPR技術(shù)在短短10年內(nèi)的飛速進(jìn)展，且有望于今年迎來首個(gè)療法，我們期待Fanzor蛋白能夠在不久的將來在醫(yī)學(xué)上獲得實(shí)際應(yīng)用，造福廣大患者。

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