基因編輯大咖張鋒團隊近年重要研究成果解讀！

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谷 君 說

本文中，小編整理了近年來基因編輯大咖張鋒團隊的重要研究成果，與大家一起學習！

基因編輯大咖張鋒團隊近年重要研究成果解讀！

文/T.Shen

圖片來源：2016.igem.org

Science：基因編輯大牛張鋒開發出RESCUE技術，可擴大RNA編輯能力

doi：10.1126/science.aax7063

基於CRISPR的工具徹底改變了我們靶向與疾病相關的基因突變的能力。CRISPR技術包括一系列不斷增長的能夠操縱基因及其表達的工具，包括利用酶Cas9和Cas12靶向DNA，利用酶Cas13靶向RNA。這一系列工具提供了處理突變的不同策略。鑒於RNA壽命相對較短，靶向RNA中與疾病相關的突變可避免基因組發生永久性變化。此外，使用CRISPR/Cas9介導的編輯難以對諸如神經元之類的某些細胞類型進行編輯，因而需要開發新策略來治療影響大腦的破壞性疾病。

在一項新的研究中，美國麻省理工學院麥戈文腦科學硏究所研究員、布羅德研究所核心成員張鋒（Feng Zhang）及其團隊如今開發出一種稱為RESCUE（RNA Editing for Specific C to U Exchange， CU交換特異性的RNA編輯）的策略。相關研究結果發表在Science期刊上。

Science：基因編輯大牛張鋒開發出新型基因編輯技術---CRISPR相關轉座酶

doi：10.1126/science.aax9181

在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院、布羅德研究所和美國國家衛生院（NIH）的研究人員發現CRISPR相關的轉座子可用於將定製的基因插入到DNA中而不需要切割它，相關研究結果發表在Science期刊上，在這篇論文中，他們描述了他們的新型基因編輯技術，以及它在細菌基因組中進行測試時的效果。

近年來，CRISPR基因編輯技術因它具有治療遺傳性疾病的潛力而成為頭條新聞。不幸的是，儘管圍繞這種技術進行了大量研究，但它仍然不適合用於人類患者。這是因為這種技術容易出錯---在切割DNA鏈時，CRISPR有時也會進行脫靶DNA切割，從而導致意料之外的不可預測的後果（有時會導致癌症）。在這項新的研究中，這些研究人員找到了一種方法，即將CRISPR與另一種蛋白結合使用，對DNA鏈進行編輯而不對它進行切割---他們稱之為CRISPR相關轉座酶（CRISPR-associated transposase， CAST）。

基因編輯大牛張鋒新力作！發現第三種CRISPR-Cas系統，顯著降低脫靶效應

來自原核生物CRISPR/Cas系統的酶已被用作可編程的和高度特異性的基因組編輯工具。目前的基因組編輯技術集中在II型CRISPR-Cas系統上，該系統含有單個用於DNA切割的蛋白效應核酸酶。然而，到目前為止，僅有兩個II型核酸酶家族用於人細胞中的基因組編輯：Cas9，即一種由兩個嚮導RNA（gRNA）引導的核酸酶，含有兩個核酸酶結構域：HNH和RuvC，其中這兩個gRNA為CRISPR RNA（crRNA）和tracrRNA；Cas12a，即一種由單個gRNA引導的核酸酶，含有單個結構域：RuvC，其中這單個gRNA為crRNA。

在一項新的研究中，來自美國布羅德研究所的張鋒（Feng Zhang）及其團隊著重關注第三種II型蛋白效應核酸酶：Cas12b，即一種由兩個gRNA引導的核酸酶，含有單個結構域：RuvC，其中這兩個gRNA為crRNA和tracrRNA。儘管Cas12b蛋白通常比Cas9和Cas12a小，因而從通過病毒載體進行細胞內遞送的觀點來看具有吸引力，但是得到最好描述的來自嗜酸耐熱菌（Alicyclobacillus acidoterrestris）的Cas12b核酸酶（AacCas12b）在48°C時表現出最佳的DNA切割活性，這阻止它在哺乳動物細胞中的應用。張鋒團隊試圖鑑定出在較低溫度下有活性的Cas12b家族成員，這樣就可用於人類基因組編輯，相關研究結果發表在Nature Communications期刊上。

Nature：大牛張鋒教授證實CRISPR–Cas13可靶向哺乳動物細胞中的RNA

doi：10.1038/nature24049

早在2016年，科學家們就發現了結合和切割單鏈RNA而不是DNA的CRISPR蛋白（Science， doi：10.1126/science.aaf5573）。如今，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院（MIT）的研究人員對這種被稱作CRISPR-Cas13a的系統進行調整，使之在哺乳動物細胞中發揮作用，相關研究結果發表在Nature期刊上。

在美國羅徹斯特大學開展RNA靶向CRISPR系統研究的Mitchell O』Connell（未參與這項研究）注意到，「在CRISPR之前，RNAi（RNA干擾）是調節基因表達的理想方法。但是Cas13a的重大益處之一是它似乎具有更強的特異性，而且這種系統對哺乳動物細胞而言並不是內源性的，因此你不太可能擾亂細胞中天然的轉錄後網路。相反，RNAi利用內源性機制開展基因敲降（gene knockdown，即抑制基因表達）。」

Cell：張鋒發表綜述詳細介紹第二類CRISPR-Cas系統

doi：10.1016/j.cell.2016.12.038

近期張鋒教授也與另外兩位學者在Cell雜誌上發表了題為「SnapShot：Class 2 CRISPR-Cas Systems」的特寫文章，介紹了新一代CRISPR基因組編輯系統：Class 2 CRISPR-Cas Systems。2015年，張鋒及其同事們就報告稱發現了一種不同的CRISPR系統，具有潛力實現更簡單、更精確的基因組工程操作。這個新系統是通過在不同類型的細菌中搜尋了成百上千種的CRISPR系統，尋找具有有用特性的酶，結果來自氨基酸球菌屬（Acidaminococcus）和毛螺菌科（Lachnospiraceae）的Cpf1酶成為新的候選物。

這一新發現的Cpf1系統有幾個重要的方面不同於以往描述的Cas9，在生物通最先報道的張鋒Cell：新一代CRISPR基因組編輯系統這篇文章中就提到：Cpf1系統更簡單一些，它只需要一條RNA。Cpf1酶也比標準SpCas9要小，使得它更易於傳送至細胞和組織內；Cpf1以一種不同於Cas9的方式切割DNA。當Cas9複合物切割DNA時，它切割的是同一位點的兩條鏈，留下的「平端」（blunt ends）在重新連接時往往會發生突變。

圖片來源：stemcellassays.com

Science：基因編輯大牛張鋒再發力，揭示只靶向RNA的新型CRISPR系統

doi：10.1126/science.aaf5573

在一項新的研究中，來自美國國家衛生研究院（NIH）、哈佛大學-麻省理工學院布羅德研究所（簡稱布羅德研究所）、麻省理工學院、羅格斯大學新伯朗士威校區和俄羅斯斯科爾科沃理工學院等機構的研究人員描述了一種靶向作用於RNA而不是DNA的新型CRISPR系統。相關研究結果發表在Science期刊上。

這種新的CRISPR系統有潛力提供一種強大的方法進行細胞操縱。儘管DNA編輯讓細胞基因組發生永久性變化，但是這種基於CRISPR的RNA靶向方法可能允許科學家們讓細胞基因組發生可根據需要進行上下調節的臨時變化，而且比現存的RNA干擾方法具有更大的特異性和功能性。在這項研究中，來自布羅德研究所的張鋒（Feng Zhang）及其同事們與來自NIH的Eugene Koonin及其同事們、來自羅格斯大學新伯朗士威校區的Konstantin Severinov等組成一個合作小組，鑒定出一種RNA引導的能夠靶向結合和降解RNA的酶C2c2，並對C2c2進行功能性描述。

Cell：張鋒團隊基因編輯技術研究新突破

過去3年，CRISPR基因編輯技術成為生命科學領域的最熱門研究，因為利用這種簡單的手段，科學家可以方便地對感興趣的基因進行編輯，使基因編輯從過去高大上的尖端技術變成科學家的常用武器，也給人類基因疾病的治療帶來希望。利用這種技術，科學家已經先後成功對多種細胞，包括人類胚胎細胞進行了基因編輯。由於這種技術的簡單方便，一些業餘的生命科學研究愛好者都開始使用這種技術進行基因改造。幾乎所有人都認為，CRISPR基因編輯技術是最有希望問鼎諾貝爾化學獎的研究。不過作為一種新技術，仍然存在一些缺陷和不足，也就是說仍然有改進的潛力。

美國著名華裔科學家MIT張鋒教授團隊是該領域的領先小組之一，最近發表論文提供了一種更好的CRISPR基因編輯工具，他們根據生物進化理論，在細菌蛋白庫中尋找更理想的DNA切割酶，獲得了成功，使該技術超更簡單、更便宜、更快、更准等方向上邁進一大步。

Nature：張鋒團隊發布CRISPR新成果，開闢鐮狀細胞病治療新途徑

doi：10.1038/nature15521

來自Dana-Farber/波士頓兒童醫院癌症及血液疾病中心的研究人員發現，改變一小段DNA可以避開鐮狀細胞病（SCD）背後的遺傳缺陷。這一發布在Nature雜誌上的新發現，為開發出一些基因編輯方法來治療SCD和諸如地中海貧血等其他的血紅蛋白疾病開闢了一條途徑。

這一稱作為增強子的DNA片段控制了分子開關BCL11A。這一開關反過來決定了紅細胞是生成成人形式的血紅蛋白（hemoglobin，在SCD中血紅蛋白髮生了突變），還是未受影響的、可以對抗鐮狀細胞突變效應的胎兒形式血紅蛋白。其他的一些研究表明，胎兒血紅蛋白升高的鐮狀細胞病患者病情較輕。

Nature：張鋒團隊最新研究成果，CRISPR可啟動任何基因！

doi：10.1038/nature14136

一項刊登在國際雜誌Nature上的研究報告中，來自麻省理工的科學家們對目前最熱門的基因編輯系統CRISPR/Cas9進行了改造，如今人們可以用這一技術在活細胞中有效啟動任何基因。這個系統可以讓科學家們更簡便地研究不同基因的功能；改造後的CRISPR技術，可以快速對整個基因組進行功能篩選，幫助人們鑒定涉及特定疾病的基因。張鋒等人在這項研究中就鑒定了讓黑色素瘤細胞抵抗癌症藥物的幾個基因。

CRISPR原本是細菌抵禦病毒感染的免疫體系。之前人們利用這個系統建立了基因編輯複合體，這個複合體包括Cas9酶和引導RNA。引導RNA結合到基因組的特定序列，告訴Cas9在哪裡進行剪切。

張鋒Nature Medicine綜述：基因編輯技術最新進展

doi：10.1038/nm.3793

人體內已命名的基因共有25000多條，目前已知一部分基因（3000）的突變會引起各類疾病。對於此類疾病的治療，最本質的手段是通過一些方法將突變後的遺傳物質矯正回原來的狀態。這類方法被稱為遺傳療法（genetic therapies）。目前最廣泛的遺傳療法手段為：1. 以病毒載體感染方式引導的源基因導入；2. 以RNA干擾方式引導的目的基因表達下調。這些手段在治療嚴重複合型免疫缺陷疾病（SCID）以及Wiskott-Aldrich綜合征方面獲得了成功。儘管如此，RNAi技術在應用的廣泛性上還存在局限。

基因編輯技術（genome editing technologies）是針對DNA本身進行的操作手段。最近應用型基因編輯領域的"鼻祖"，美國麻省理工學院張鋒教授等人發表在《Nature Medicine》雜誌上的一篇綜述詳細介紹了這些技術的原理以及在臨床上的應用前景。

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