《Science》基因编辑先驱张锋：新一代RNA单碱基编辑工具问世！

来源：易科学

2019年7月12日，顶尖学术期刊《科学》在线刊登了知名学者张锋（基因修饰技术CRISPR-Cas9的发展和应用的专利获得者）教授团队的一项最新研究：在短短2页论文里，科学家们介绍了基于CRISPR系统开发出的一种新型RNA编辑工具。它能以前所未有的方式，对RNA进行单碱基的编辑。

RNA编辑（RNA editing）是指转录后的RNA在编码区发生碱基的加入、丢失或转换等现象。RNA编辑产生的“基因”可称为隐蔽基因（ crytogene），其产物的结构不能从基因组DNA序列中推导获得。

早在1986年发现锥虫线粒体mRNA转录加工后，其mRNA的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸。1990年在高等动物和病毒中也发现了上述现象，在有些蛋白质的表达过程中，发现有新的编码序列产生或是编码序列发生了改变，而且这种改变的发生不是在DNA水平上的，而是在RNA水平，通常会增加一些原来DNA模板中不曾编码的碱基，这种现象是由RNA编辑所产生的。

CRISPR系统自问世以来，彻底改变了人类对基因进行编辑和调控的方式。基于CRISPR系统，利用Cas9或Cas12蛋白，我们能成功对DNA进行编辑。而通过另一种叫做Cas13的蛋白，我们将这一系统的应用范围扩大到了RNA。

Cas9在实验中常被用于沉默哺乳动物细胞基因，有时针对整个基因组的多个位点，于是一些大型的RNA序列文库被构建出来用于将Cas9引导至目的基因。但是，这一系统只能靶向一些特定类型的位点，一些研究还表明， RNA有可能引导Cas9“脱靶”，有可能导致细胞机器内部出现一些意想不到的问题。

▲一步简单反应，就能将腺嘌呤转为与鸟嘌呤类似的肌苷

作为CRISPR领域的先驱之一，张锋教授团队在过去开发了不少靶向RNA的工具。其中，基于靶向RNA的CRISPR/Cas13系统，他们曾在2017年带来了一款名为“REPAIR”的系统，它能特异性地将RNA上的腺嘌呤（A）转化为与鸟嘌呤（G）结构类似的肌苷（I）。药明康德内容团队也在先前报道中指出，“在细胞看来，肌苷与鸟嘌呤别无二致，因此就能按鸟嘌呤处理”，改变RNA的序列，从而“修复”最终产生的蛋白质。

从机理上看，REPAIR系统的关键是一种叫做ADAR2的酶，它负责把RNA中的A转化为I。在这个基础之上，张锋教授团队通过酶进化的方法，使ADAR2酶具有了全新的功能——它能够将胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U）。与此同时，它原先将A转化为I的功能依旧得到了保留。随后，研究人员们进一步对其进行了优化，减少其脱靶效应。

▲这套新型RNA编辑系统的机理

《科学》论文的摘要指出，这一改变将“能够靶向的RNA致病突变翻了个番！” 科学家们也给这个升级换代后的系统起了个全新的名字：“用于C向U特异变化的RNA编辑系统”，缩写为RESCUE（RNA Editing for Specific C to U Exchange）。

▲这套系统成功激活了β-catenin蛋白

研究人员们指出，如果使用的是传统的DNA编辑手段，β-catenin蛋白就会被永久激活，导致细胞不受控的生长，甚至是癌症。但利用RESCUE系统编辑RNA，只会促进短期的细胞生长。它可以被用来促进伤口愈合，而不会引起不可控的副作用。

基于这些发现，研究人员们在论文最后指出，这套新型系统能拓展RNA的编辑工具库，带来全新的应用。而为了加速这一技术在临床上的应用，张锋教授课题组决定将该工具向学术界进行分享。任何从事基础研究的科学家，都可以免费使用。

张锋，男，1982年出生于河北石家庄，斯坦福大学化学及生物工程博士，是当今最为人所关注的华人生物学家之一。他最著名的工作是基因修饰技术CRISPR-Cas9的发展和应用，率先获得了美国专利，并被视为诺贝尔奖的热门人选之一。

2016年9月21日，入选引文桂冠奖化学领域的获奖名单 。2017年晋升为美国麻省理工学院理学院终身教授。2017年8月15日，张锋获阿尔伯尼生物医学奖，成为历史上第二名获得此奖项的华人学者。

CRISPRs-Cas9技术被称为基因组编辑领域的一个重大进展，研究人员们纷纷认为解密日益增加的、与人类健康及疾病相关的遗传变异数据，需要在模型系统中利用这类可扩展的精确的基因组编辑技术。

在了解了这项技术后，博德研究所、哈佛医学院以及麻省理工大学等研究机构就此进行了诸多的研究，相关成果不断地发表于各大顶级期刊。2013年，7月，张锋被授予了美国生物医学的一个大奖：瓦利基金青年研究家奖（Vallee Foundation Young Investigator Award）。2013年底，张锋被《Nature》评选为了年度十大科学人物之一。

参考资料：

[1] Omar O. Abudayyeh et al., (2019), A cytosine deaminase for programmable single-base RNA editing, Science, DOI: 10.1126/science.aax7063

[2] New CRISPR platform expands RNA editing capabilities, Retrieved July 11, 2019, from http://news.mit.edu/2019/new-crispr-platform-expands-rna-editing-capabilities-0711

[3] David B. T. Cox et al., (2019), RNA editing with CRISPR-Cas13, Science, DOI: 10.1126/science.aaq0180