Cell：重磅！發現靶向RNA的CRISPR/CasRx

大多數人都聽說過CRISPR/Cas9基因編輯技術，它作為靶向性的分子剪刀，切割致病性的基因，並利用健康的基因加以替換。但DNA僅是故事的一部分；許多遺傳疾病是由RNA（特別是mRNA）上存在的問題引起的，其中mRNA是DNA經轉錄後產生的，所產生的mRNA經翻譯後產生蛋白。

如今，在一項新的研究中，來自美國沙克生物研究所的研究人員構建出一種靶向RNA而不是靶向DNA的新工具，並利用它校正來自一名痴呆症患者的細胞中的蛋白不平衡，從而讓它們恢復到健康水平。這種被稱作CasRx的新工具為科學家們提供一種強大的方法來開發新的基因療法和研究基礎的生物學功能。相關研究結果於2018年3月15日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Transcriptome Engineering with RNA-Targeting Type VI-D CRISPR Effectors」。

在人細胞的細胞核（灰色）中，靶向RNA的CasRx（洋紅色），圖片來自Salk Institute。

論文通信作者、沙克生物研究所的Patrick Hsu 說，「生物工程師就像自然界的偵探一樣，在DNA模式中尋找線索來協助解決遺傳疾病的奧秘。CRISPR引發了基因組工程變革，而且我們希望將這種工具從編輯DNA擴展到編輯RNA。」

CRISPR是細菌免疫系統，含有許多防禦酶，如Cas9「分子剪刀」。包括Hsu在內的科學家已將Cas9改造為一種強大的DNA靶向基因編輯工具。

Hsu團隊決定搜索細菌基因組以尋找能夠靶向RNA的新型CRISPR酶，然後對它們進行基因改造而用於解決RNA及其產生的蛋白存在的問題。

比如，一種給定的RNA能夠在不同水平上進行表達，而且它與其他RNA之間保持平衡對維持健康功能是至關重要的。此外，RNA能夠以多種方式加以剪接，從而產生不同的蛋白，但是RNA剪接存在的問題能夠導致諸如脊髓性肌萎縮、非典型性囊性纖維化和額顳葉痴呆（frontotemporal dementia, FTD）之類的疾病。因此，靶向有毒性的RNA或由不適當剪接產生的RNA的藥物可能會對患上這些類型的破壞性疾病的患者產生改變人生的影響。

論文第一作者、沙克生物研究所研究員Silvana Konerman解釋道，「我們先是假設不同的CRISPR系統可能是細菌和它們的病毒在進化上開展軍備競賽的過程中專門產生的，這潛在地讓它們有能力靶向病毒RNA。」

Hsu團隊開發出一種計算程序，從而在細菌DNA資料庫中尋找CRISPR系統的特徵信號：特定的重複DNA序列模式。通過這樣做，他們發現一種靶向RNA的CRISPR酶家族，他們稱之為Cas13d。

Hsu團隊意識到就像Cas9家族一樣，源自不同細菌種類的Cas13d酶在它們的活性也會有所不同，因此他們進行篩選，以便鑒定出一種可在人細胞中使用的最佳Cas13d版本。他們發現這種最佳版本來自一種腸道細菌：黃化瘤胃球菌（Ruminococcus flavefaciens）XPD3002，這導致他們將它命名為CasRx。

Konermann說，「一旦我們改造的CasRx在人細胞中工作良好，那麼我們真地希望加快它的應用步伐。」

這意味著對CasRx進行改造來治療疾病相關的癥狀：在這項研究中，指的是神經變性疾病額顳葉痴呆（FTD）。在這種痴呆症中，兩種版本的tau蛋白（也參與阿爾茨海默病進展）的比例在神經元中失去平衡。Hsu團隊對CasRx進行基因改造，使得它靶向過量表達的那種tau蛋白質版本的RNA序列。他們通過將CasRx包裝到病毒中，並將它運送到由來自FTD患者的幹細胞產生的神經元中來實現這一點。CasRx讓tau水平恢復到健康水平的效率達到80%。

與靶向RNA的其他技術相比，CasRx因具有較小的尺寸（這使得很容易將它包裝到治療上相關的病毒載體中）和較高的效率而具有獨特性，而且與RNA干擾相比，不產生明顯的脫靶效應。Hsu團隊對他們開發的工具有可能用於探究RNA和蛋白功能上存在的新問題和開發治療基於RNA和蛋白的疾病的方法感到激動人心。

參考資料：Silvana Konermann, Peter Lotfy, Nicholas J. Brideau et al. Transcriptome Engineering with RNA-Targeting Type VI-D CRISPR Effectors. Cell, Published online: March 15, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.02.033

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