《Science》、《Nature》重磅来袭！张锋升级CRISPR新系统“REPAIR”！新型碱基编辑器精准转换碱基对

2017 年 10 月 26 日 未来产业促进会

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美国时间10月25日，Nature和Scinece同时报道两项重大的突破性研究。知名华人学者张锋教授的团队在Scinece上在线发表了一篇重磅论文——带来一款全新CRISPR系统“REPAIR”，能有效地对RNA中的腺嘌呤（A）进行单碱基编辑。有望在不修改基因组的前提下，精准地矫正致病的遗传突变。由麻省理工学院广泛研究所和马萨诸塞州剑桥的哈佛分校David Liu教授实验室主导开发的新基因编辑系统——腺嘌呤碱基编辑器（ABE），能将A-T碱基对转换为G-C碱基对。

张锋团队新突破，CRISPR新系统“REPAIR”

张锋团队的文章介绍了CRISPR新系统“REPAIR”。“REPAIR”的基本元件是一种取名为PspCas13b的酶和ADAR2蛋白。“REPAIR”可高效地修复RNA的单个核苷，因不会改变DNA信息而更为安全，将为基础研究和临床治疗提供一个新的工具。

张锋教授

在人类的疾病中，由鸟嘌呤（G）向腺嘌呤（A）的突变极为常见。类似的突变能在罹患局灶性癫痫（focal epilepsy）、杜氏肌营养不良、或是帕金森病的患者体内找到。因此，如果能逆转这一常见突变，把A矫正回G，就有望从根源上治疗这些疾病。

有趣的是，一步简单的反应就有望完成这个矫正的过程——腺嘌呤在脱氨后，会变成一种叫做肌苷的分子，而它与鸟嘌呤的结构非常接近，细胞甚至无法对这两者进行区分。换句话说，只要能让关键的腺嘌呤脱氨，就能完成从A到G的矫正，从而为患者带来治疗的希望。

一步简单反应，就能将腺嘌呤转为与鸟嘌呤类似的肌苷（图片来源：《科学》）

为了达成这个目标，张锋教授团队在CRISPR-Cas13的家族中开始寻找潜在的工具。与常见的Cas9不同，Cas13蛋白只靶向RNA，不会影响到基因组的遗传信息，从而进一步增加了基因编辑的安全性。在一番搜寻后，他们发现来自普雷沃菌（Prevotella bacteria）的Cas13b蛋白靶向RNA的活性最佳。随后，研究人员做了几个小改动，让Cas13b蛋白失去了“剪切”的能力，并把它和一种叫做ADAR2的酶融合到了一款。在人体中，ADAR2能够把RNA上的腺嘌呤转变为肌苷。

这套系统能把RNA上的腺嘌呤（A）转变为肌苷（I）（图片来源：MIT官方网站）

“这套系统不必惊扰基因组，就能修复突变。因为RNA会降解，这是一种可逆的修复。”该研究的共同第一作者、研究生David Cox说道。

按照研究人员的设想，CRISPR-Cas13b系统能把ADAR2送到RNA上的某个特异位点，把腺嘌呤转化为肌苷。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，合成具有正常生理功能的蛋白质。这套系统被命名为“可编程的腺嘌呤到肌苷RNA编辑”（RNA Editing for Programmable A to I Replacement），缩写为REPAIR。

这套系统能有效矫正34种不同的疾病相关变异（图片来源：《科学》）

为了检验这一系统的治疗潜力，该团队在人类细胞中引入了能导致范可尼贫血症（Fanconi anemia）和X连锁肾源性尿崩症（X-linked nephrogenic diabetes insipidus）的致病突变，并检测其能否对其进行有效的修复。结果表明，在RNA的水平上，这些突变可以被有效矫正，这也从概念上支持了这套系统的可行性。

在开发出REPAIR后，张锋教授的团队进一步提高了它的特异性。在一系列的修饰后，这套系统的特异性大大提高，把全转录组中的可检测脱靶编辑数从18385锐减到20！在测试中，这款被称为REPAIRv2的系统编辑RNA的效率最高可达51%。

REPAIRv2能进一步减少脱靶效应（图片来源：《科学》）

对此，该论文的另一名共同第一作者、博士生Omar Abudayyeh对这个结果感到振奋。他说，“这清楚地表明REPAIRv2能进一步演化。在保留特异性的同时，活性得到进一步提高。”

站在这一良好的起点上，研究人员们计划开发与之配套的递送系统，并在动物组织中继续验证REPAIRv2在体内的RNA编辑活性。此外，他们也将寻找全新的工具，用于其他类型的核苷酸转化。“我们一直期待驾驭自然的力量，用于这些转化。”该研究的另一名共同第一作者、博士生Jonathan Gootenberg评论说。

“矫正致病突变是基因组编辑的主要目标之一，”张锋教授评论道“目前为止，我们在让基因失活方面做得很成功，但要让已经失去的蛋白功能得到恢复，是更具挑战的一件事。编辑RNA的新能力带来了更多机遇，让我们能够恢复蛋白质的功能，治疗许多疾病。这几乎能用于所有的细胞。论文发表后，张锋教授宣布，该工具将免费向学术界发放。

新型碱基编辑器，DNA无断裂可进行碱基互换

同一天，Nature发表了来自美国博德研究所核心成员David Liu及同事的文章，报告了他们开发出的腺嘌呤碱基编辑器（ABE），能将A-T碱基对转换为G-C碱基对。

David Liu教授（图片来源：Broad研究所）

腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）是构成DNA的基本单元。这些碱基按照A-T，C-G这样配对形式，搭建起DNA的双螺旋结构。而在RNA中，胸腺嘧啶（T）由尿嘧啶（U）替代。

去年，同样发表在Nature杂志，David Liu及同事首次报告了他们的“碱基编辑器”，通过在Cas9蛋白上安装大鼠胞苷脱氨酶APOBEC1，Cas9的“剪刀”功能会消失，不再切割DNA双链，但仍能结合目标DNA片段，同时能将胞嘧啶（C）转化为尿嘧啶（U）。之后，再通过第三种蛋白，让细胞启动DNA修复程序，最终使得C-G碱基对替换为T-A碱基对。