Nature：張鋒團隊今日帶來CRISPR重磅突破！靶向RNA效果比肩諾獎研究
葯明康德/報道
今日，知名華人學者張鋒教授與他的團隊在《自然》雜誌上在線刊登了一篇論文，介紹了CRISPR系統的新應用——靶向哺乳動物細胞的RNA。這一應用能特異性抑制哺乳動物細胞中的基因轉錄產物，效果與2006年的諾貝爾獎研究「RNA干擾」並無明顯區別。這一突破性的工具對基礎科研有著重要意義。
說到CRISPR，許多人腦中的第一反應是CRISPR-Cas9基因編輯系統。的確，CRISPR技術改寫了基因編輯的格局，但編輯DNA並不是它的全部作用。去年8月，張鋒教授的課題組曾在《科學》上發文，指出一種叫做Cas13a（當時被稱為C2c2）的蛋白與CRISPR進行組合，有望靶向RNA。今年4月，張鋒教授團隊的另一篇《科學》文章則表明，利用切割RNA的特性，CRISPR-Cas13a系統可以被改造成核酸檢測工具，靈敏度可高達單分子！
「報告基因」系統的原理示意圖（圖片來源：《自然》）
研究人員們並沒有就此停下腳步。Cas13a對RNA的切割能力有望讓它成為基因研究中的重要工具，而我們需要確認的，是它在哺乳動物細胞內有沒有應用的潛力。為了檢驗這個想法，研究人員們開發了一種「報告基因」系統。它帶有編碼兩種熒光蛋白的基因，其中一條基因的RNA能被Cas13a識別和破壞，另一條則不受影響。如果Cas13a當真能在哺乳動物細胞內切割RNA，那麼我們應該能預計，前一種熒光蛋白的含量會變低，而後一種熒光蛋白的含量不會出現明顯變化。這正是研究人員所觀察到的結果。
在Cas13a的作用下，被靶向的熒光蛋白水平（藍色）顯著下降，未被靶向的熒光蛋白水平（紅色）則沒有明顯變化（圖片來源：《自然》）
隨後，研究人員們又探索了CRISPR-Cas13a系統對哺乳動物細胞內源基因的切割活性。他們選擇了3條與癌症有關的基因KRAS、CXCR4、以及PPIB，並針對它們設計了CRISPR-Cas13a編輯系統。與外源的熒光蛋白一致，這3條內源基因的表達顯著下降。換句話說，這個編輯系統對哺乳動物細胞的內源基因也同樣有效。
更令人興奮的是，研究人員還比較了RNA干擾在這三條基因上的抑制能力。RNA干擾技術曾於2006年斬獲諾貝爾生理學或醫學獎，在基礎生物學或醫學研究中有著極為廣泛的應用。而本項研究表明，RNA干擾與CRISPR-Cas13a對這三條基因表達的抑制能力非常接近。換句話說，後者的抑制效果達到了諾貝爾獎研究的水平。
CRISPR-Cas13a系統（淺藍）與RNA干擾（深藍）的效果非常接近（圖片來源：《自然》）
「RNA干擾與Cas13a系統的效果很相似。在有些時候，Cas13a的效果還要更好一些，」羅切斯特大學（University of Rochester）的Mitchell O』Connell教授對此讚譽有加：「在CRISPR技術誕生前，RNA干擾一直是調控基因表達的『聖杯』。但使用Cas13a的一個好處在於，它的特異性更好。另外，它也不是哺乳動物細胞內自然形成的系統，對轉錄後調控網路的干擾風險也更低。」
在驗證了有效性之後，研究人員們同樣驗證了這套系統的安全性。先前，這支團隊發現Cas13a在細菌體內被激活後，會化身為非特異性的RNA酶，瘋狂地切開遇到的所有RNA。這無疑是非常危險的。如果它在哺乳動物細胞內也陷入瘋狂，就會破壞行使正常功能的RNA。嚴重時，這甚至可能導致細胞死亡。這樣一來，它的應用也就無從談起了。
在安全性上，CRISPR-Cas13a系統甚至要優於RNA干擾（圖片來源：《自然》）
幸運的是，研究人員們的擔憂並沒有成為事實。Cas13a蛋白來源於一種叫做Leptotrichia wadei的微生物。或許是哺乳動物與它的演化關係過於遙遠，這些Cas13a蛋白在哺乳動物細胞內非常安分守己，只切開特異的RNA，不影響其他RNA。
「這是本項工作的最大驚喜，」該論文的共同第一作者Omar Abudayyeh說道：「我們沒有在哺乳動物細胞或是植物細胞中檢測到任何Cas13a的額外活性。」
這一系統在追蹤細胞內RNA的動態上還有額外的應用價值（圖片來源：《自然》）
在靶向哺乳動物細胞內的RNA外，研究人員們還進一步拓展了這一技術。首先，他們表明在水稻原生質體（移除細胞壁的水稻細胞）中，CRISPR-Cas13a系統同樣能靶向RNA。這表明這款工具在植物中同樣有效；其次，他們還開發了一種失去酶活的Cas13a蛋白。它能結合RNA，但不會進行切割。研究人員們相信，在這些失活的Cas13a上添加熒游標記，就能追蹤RNA在細胞內的移動，這也有著重要的應用價值。
自CRISPR技術誕生以來，張鋒教授的實驗室已經帶給我們一個又一個驚喜。我們祝願這名華人學者能走得更遠，為科學帶來更多CRISPR的應用。
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