张锋团队今日再登《科学》,全新RNA编辑技术升级CRISPR工具包

生物医学
张锋团队今日再登《科学》,全新RNA编辑技术升级CRISPR工具包
麻省理工科技评论 2019-07-12

2019-07-12

今日凌晨,《科学》杂志发表麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队最新文章,他们开发的一种名为 RESCUE 的全新 CRISPR 基因编辑技术,可以进行以前不可能进行的 RNA 单碱基编辑。
医疗
今日凌晨,《科学》杂志发表麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队最新文章,他们开发的一种名为 RESCUE 的全新 CRISPR 基因编辑技术,可以进行以前不可能进行的 RNA 单碱基编辑。

今日凌晨,《科学》杂志发表麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队最新文章,他们开发的一种名为 RESCUE 的全新 CRISPR 基因编辑技术,可以进行以前不可能进行的 RNA 单碱基编辑。

具体而言,张锋团队利用 dCas13 引导 RESCUE 有针对性地靶向转录RNA中的胞嘧啶碱基(C),并使用一种改进后的全新 ADAR2 酶把不需要的胞嘧啶碱基(C)精确地修改为尿嘧啶碱基(U),从而改变 RNA 的指令,达到不修改 DNA 也可实现改变蛋白质的目的。

RESCUE 极大扩展了 CRISPR 技术在 RNA 编辑领域的应用,包括蛋白质中可修改的特定位置,比如磷酸化位点。这些位点在蛋白质的功能中起着决定性的作用,在信号分子和癌症相关通路中尤为明显。

“为了治疗引起疾病的基因变异多样性,我们需要一系列精确的技术来选择。通过开发这种新的酶,并将其与 CRISPR 的可编程性和精确性相结合,我们填补了 CRISPR 工具箱中的一个关键空白。”张锋教授表示。

越来越丰富的 CRISPR 工具包

真核生物的基因组由数十亿个 DNA 碱基组成,精确靶向目的基因并修改这些 DNA 碱基序列,对整个分子生物学和医学的发展都具有巨大价值。我们熟悉的通过病毒转染将基因片段插入目的基因组,就是科学家们对于基因编辑最初的努力。但是,这样的基因编辑方法,既耗时耗力,又难以精确实现预期目的。

30 多年前,科学家在细菌中发现一段规律间隔成簇短回文重复序列,并发现这种重复序列可让细菌对病毒有免疫抗性。2001 年,西班牙科学家 Francisco Mojica 正式将其命名为 CRISPR。

2012年,两位女科学家,来自加州大学伯克利分校的结构生物学家詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和瑞典于默奥大学的埃马纽埃尔·卡彭蒂耶(Emmanuelle Charpentier)首次将 CRISPR/Cas 作为基因编辑系统应用。

之后,来自于哈佛大学医学院的 George Church、麻省理工学院 Broad 研究所的张锋以及加州大学旧金山分校系统及合成生物学中心的亓磊(目前就职于斯坦福大学),分别发表三篇文章,将 CRISPR/Cas 基因编辑系统首次成功应用到哺乳动物细胞中。

图 | 张锋教授(来源:麻省理工科技评论)

CRISPR/Cas 的出现,引领了整个基因编辑领域爆炸式的发展,并彻底改变了我们修改疾病相关基因突变的能力。

而自 2012 年 CRISPR 基因组编辑工具正式出现以来,已发表了 9000 多篇相关的研究论文。众多科学家不断改进 CRISPR/Cas 基因编辑系统,将其从单一的“基因剪刀”扩展成多功能的“基因工具包”,包括靶向 DNA 的 Cas9 和 Cas12 酶,靶向 RNA 的 Cas13 酶。不断丰富的 CRISPR/Cas 系统也展现出令人兴奋的广阔应用前景。

但是,对 DNA 的编辑修改,意味着对基因组不可逆的永久性改变,这一过程也目前面临着不可回避的安全风险和伦理问题。此外,一些细胞类型,比如神经元,很难使用 CRISPR/cas9 介导的编辑对 DNA 进行修改,这也就限制了神经系统疾病的基因治疗应用。

于是,一种仅编辑修改 RNA 的基因编辑策略被科学家们提了出来。

DNA 是遗传信息的载体,RNA 作为 DNA 转录出来的中间产物,负责指导下游蛋白质的生产。因此,针对与疾病相关的基因突变,仅短暂对 RNA 突变进行修改,既避免了对基因组的不可逆修改,又实现了突变蛋白质的纠正。

全新的 RESCUE 系统

2017 年,张锋团队就在《科学》杂志发表了一项针对 RNA 编辑的全新 CRISPR 系统——REPAIR,在这款RNA编辑器中,研究人员将高效靶向 RNA 的 Cas13b 蛋白与 ADAR2 酶结合在一起,将 REPAIR 编辑系统引导至特定的 RNA 位置,特异性地将 RNA 上的腺嘌呤碱基(A)修改为与鸟嘌呤碱基(G)结构类似的肌苷(I)。

对于细胞而言,肌苷与鸟嘌呤碱基十分相像,能够以鸟嘌呤的身份合成具有正常生理功能的蛋白质。因此,REPAIR 编辑系统相当于实现了有效地对 RNA 中的腺嘌呤(A)进行单碱基编辑。

通过对 REPAIR 编辑系统的改进升级而来的全新 RESCUE 编辑系统,能够实现直接将 RNA 中的胞嘧啶碱基(C)直接修改为尿嘧啶碱基(U)。RESCUE 编辑系统能够被引导到到任何 RNA 中,然后通过优化的 ADAR2 组件平台执行由 C 到 U 的 RNA 编辑任务。

图 | 由碱基 C 到碱基 U,和由碱基 A 到 I 的原理图(来源:Science)

在最新发表的论文中,研究人员还将这个新平台应用到人类细胞中,与实验室中合成 RNA 中有效修改 24 个临床相关突变一样,RESCUE 编辑系统成功靶向了人类细胞中的天然 RNA。

研究人员表示,接下来他们将进一步优化 RESCUE 编辑系统,以减少目标外的编辑,同时最小化目标内编辑的干扰。

RESCUE 编辑系统的诞生,意味着翻译后修饰调控许多蛋白质活性和功能的位点,如磷酸化、糖基化和甲基化,现在可以更容易地成为编辑的目标。

为了验证 RESCUE 编辑系统的这种应用潜力,研究人员在人类细胞实验中证实,RESCUE 编辑系统可以精准靶向编码 β-catenin 蛋白(β-catenin 蛋白已知在蛋白质磷酸化过程中发挥关键作用)的 RNA 特殊位点,引起 β-catenin 蛋白活性的临时增加,并促进细胞生长。

如果这样的变化是永久性的,它可能会使细胞不受控制地生长进而发展为癌症。但现在通过使用 RESCUE 编辑系统,短暂的细胞生长可以实现促进伤口愈合,应对急性损伤。

图 | 在 RESCUE 编辑系统中,酶 Cas13(粉红色)使用向导(红色)来定位细胞中的 RNA(蓝色)(来源:Stephen Dixon)

此外,研究人员还将目光瞄准了一种致病基因变体 APOE4。APOE4 等位基因一直是晚发性阿尔茨海默病发病的遗传风险因素,与 APOE4 只有两个碱基区别的 APOE2(APOE4 中的两个碱基 C,对应着 APOE2 中的两个碱基 U),却不是阿尔茨海默病的危险因素。

于是,张锋团队将与疾病风险相关的 APOE4 RNA 进入细胞中,通过 RESCUE 编辑系统成功将 APOE4 中的两个碱基C,修改为 APOE2 序列,这本质上相当于能够将携带APOE4 基因的阿尔茨海默病高风险人群,风险转化为无。

为了将 RESCUE 编辑系统作为一种广泛使用的工具,更好地推向临床应用,张锋实验室计划将 RESCUE 编辑系统向学术界免费共享,在此之前,他们开发的 CRISPR 工具,也都向用于学术研究的科学家们免费共享。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech