兩華人科學家改進CRISPR技術，Science與Nature同日公布兩項成果

07-20

美國東部時間10月25日，《Science》和《Nature》兩大權威雜誌上先後公布了兩項關於CRISPR-Cas9技術的最新研究成果，引起了科學界廣泛的轟動。

淵源：CRISPR

在生物進化過程中，CRISPR是細菌在與病毒鬥爭的過程中產生的免疫武器，換言之，病毒會將自己的基因整合到細菌上，然後利用細菌的細胞工具為自己的基因複製服務，而細菌為了將病毒的外來入侵基因清除，就進化出了CRISPR系統。利用這個系統，細菌可以不動聲色地將病毒的基因從自己的染色體上切除。

受自然界細菌的CRISPR系統啟發，科學家利用蛋白Cas9實現了對DNA序列的切除操作，極大地簡化了DNA編輯過程，故而這項名為CRISPR-Cas9的基因組編輯技術迅速成為生命科學中最熱門的技術。

隨後基於CRISPR-Cas9開發出的CRISPR工具包躍升為生物學研究新寵，它與ZFN、TALEN並列稱為三大基因編輯工具。CRISPR操作簡單，研究人員能更快、更經濟地實現基因組特定位點的編輯。

研究成果之一：鹼基編輯

在發表於《Nature》的論文中，哈佛大學化學教授、Broad Institute的研究院David Liu改進了原有的CRISPR-Cas9基因組編輯技術，開創了鹼基編輯技術，此次，他成功的將單鹼基A轉換為G，實現了「點」修改，將鹼基編輯技術帶入了一個更高的精準度上。

哈佛大學化學教授、Broad Institute的研究院David Liu

人類的許多疾病追根溯源是由單一鹼基的突變引起的，而CRISPR-Cas9基因組技術難以有效得糾正這些所謂的「點突變」，因此David Liu致力於實現高精度的基因編輯技術。

通常，CRISPR編輯使用的是gRNA和稱為核酸酶的酶（最常見的是Cas9），然後將它們一起連接到特定的DNA鹼基區域，隨後核酸酶就會剪切雙螺旋。當細胞修復機制嘗試重新加入切割的DNA末端，會偶爾插入或刪除鹼基，有時這會使重要的鹼基區域排序變成「亂碼」，甚至會不小心刪掉靶基因。對此，美國馬薩諸塞州劍橋大學研究所的研究員馮章研究員表示：「核酸基因編輯非常適合滅活基因，不過編輯的準確率較低。」

原先的CRISPR-Cas9技術是通過基因組的靶位點切割雙鏈DNA來進行操作，與之不同的是，研究團隊的鹼基編輯技術不會削減雙鏈DNA的雙螺旋結構，他們是利用酶來實現對部分構成DNA或RNA的四個鹼基的重新排列，而不改變周圍的鹼基。

研究團隊將gRNA與「死」的Cas9（失去活性的Cas9，又稱dCas9）融合，並開發了TadA酶（一種來自大腸桿菌的酶），其中，這種酶可以將鹼基A轉換為I，隨後在細胞修復或DNA複製本身的過程將I改變為G，實現了對鹼基的精準定位和修改。

研究成果二：RNA編輯

在《Science》的新論文中，由Broad Institute生物工程師張峰領導的研究團隊描述了另一種實現類似於上面轉換過程的方法，不過這一次不是在DNA中實現，而是通過編輯RNA來實現對蛋白質中的鹼基進行定向編輯。

張峰

他的團隊實現RNA編輯所用的是一種天然存在的酶，這種酶可將A中的原子重新排列成與I相似的原子。在研究過程中，研究人員通過將這種天然酶與另外一種被稱為Cas13的RNA靶向酶結合，而不是使用通常的DNA結合Cas9來完成編輯。在序列特異性指導RNA分子的幫助下，他們在23-35％的時間內成功糾正了致病突變，且實驗過程中發生非靶向活動的發生率也很低。

此外，該小組通過使用蛋白質工程使細菌細胞進行七次演化，以產生一種可識別和可操縱DNA的酶。該酶能夠重新排列腺嘌呤中的原子，將其轉化為I（細胞以G的形式讀取），隨後，該系統誘發細胞將胞嘧啶插入未修飾的DNA鏈中。

張峰團隊的這種手段可用於臨時校正致病突變，但卻不會永久改變基因組，因此當涉及基因治療時，這種方法更為安全；同時由於無法永久改變基因組，所以採用這種方法可能要進行多次治療；此外，通過對該種疾病的逐步了解，研究人員可以不斷改良優化RNA療法，這也是它的優點之一。

目前，除了由A到G的轉化外，其餘幾種對基礎嘌呤嘧啶進行編輯的酶在自然界中均未發現，但劉峰先生表示「我們會繼續努力，直到團隊開發出所有可能進行編輯的酶」。

總結

這兩項研究中一項擴展了編輯DNA的方法種類，另一項在RNA編輯方面取得了新成果，都為擴大CRISPR的影響力助力，並且為遺傳研究和治癒疾病開闢了新的道路。