基因编辑领域先驱张锋团队：或将开启基因编辑的下一世代

近日，基因编辑领域先驱张锋教授团队在顶尖学术期刊《自然》上发表突破性研究，该团队在动物中发现能对人类基因组进行编辑、类似于CRISPR的基因编辑系统。其中的Fanzor蛋白是首次在真核生物中发现受RNA引导的DNA切割酶！根据麻省理工学院（MIT）新闻稿，通过进一步的优化，Fanzor有望成为较现有CRISPR/Cas系统更为精确、更易被递送至人类细胞的基因编辑工具！

Fanzor蛋白的发现

CRISPR-Cas最早是在原核生物（即细菌和其他缺乏细胞核的单细胞生物）中被发现的。长久以来，包含张锋教授在内的科学家一直想知道类似的系统是否也存在于真核生物（包含藻类、真菌、动植物在内具细胞核的生物）当中。在探索这个问题的过程中，张锋教授团队在2021年于《科学》杂志上报道了在部分微生物基因组中的转座子（transposons），存有一类新的RNA引导核酸酶，并将之命名为OMEGA。转座子也被称为“跳跃基因”，因为它们可以在整个基因组中移动和复制、粘贴自己。

通过进行分子系谱的分析，张锋教授团队发现OMEGA家族中的TnpB蛋白可能是CRISPR-Cas12内切酶以及真核生物蛋白Fanzor的祖先，这使得科学家怀疑也许Fanzor也具有基因编辑的能力。论文的共同第一作者MakotoSaito博士便主导了对Fanzor蛋白生化特性的分析，并证实这类蛋白是可切割DNA的核酸内切酶，具有类似Cas内切酶中用以让指导RNA（gRNA）滑入的沟槽，其可利用邻近被称为ωRNA的非编码RNA（non-codingRNA）对基因组中的特殊位点进行靶向切割。

通过使用公开的遗传学数据库，团队成员发现在包括藻类、真菌、植物和某些软体动物在内的一系列生物中皆存有Fanzor蛋白的证据。此外，他们还在包含巨型病毒的一些病毒中发现这类蛋白。通过低温电子显微镜以达2.7Å的解析度对真菌Spizellomycespunctatus中的Fanzor蛋白（SpuFz）进行结构解析时发现，Fanzor和TnpB、Cas12蛋白的核心区域具保守性，显示Fanzor是存于真核生物、类似于OMEGA的系统，证明RNA引导的核酸内切酶不仅存在于原核生物，亦存在于真核生物内。

“RNA引导的核酸酶比我们预想的更加丰富和广泛。它们不是CRISPR系统所独有的，也不仅限于原核生物中的转座子，可能还存有更多的可能。”康奈尔大学研究员AilongKe博士在写给行业媒体Endpoints的邮件当中评论道。

Fanzor蛋白的特性

进一步分析时发现，Fanzor蛋白可对人类细胞基因组的特定位点进行靶向的插入（insertions）与缺失（deletions）编辑。在所检测的4种蛋白中，有3种的RNA-Fanzor内切酶配对组可以高达11.8%的效率对特定DNA序列进行编辑，而实际的效率则取决于所使用的蛋白类型及其靶向的基因。这一水平与早期版本的CRISPR系统相当，但低于目前优化过后的系统。

Fanzor蛋白的低温电子显微镜图

通过工程化技术，研究人员对SpuFz蛋白作进一步的优化，并确定了三个可以改进此蛋白基因编辑效率的突变，使之能够对其中一个靶标达到18.4%的编辑效率，尽管大多数靶标的编辑效率仍仅有约10%到15%。然而，当研究人员将突变组合引入到蛋白质中时，可使其活性提高约10倍。

在今日《自然》研究发布的两周前，原张锋教授团队成员OmarAbudayyeh和JonathanGootenberg博士在预印本bioRxiv上发布了类似的研究，并将所发现的蛋白命名为HERMES（Horizontally-transferredEukaryoticRNA-guidedMobileElementSystems）。两位科学家的研究多聚焦于寻找真核生物中不同类型的Fanzor蛋白并对其进行分类。此外，他们还发现这类蛋白含有核定位信号（nuclearlocalizationsignals）与含有基因的内含子（genescapturedintrons），显示这类蛋白具有广泛、长期适应真核细胞功能的特征。

Fanzor蛋白的潜在优势

与一些CRISPR系统和OMEGA蛋白TnpB相比，张锋教授团队发现真菌来源的Fanzor蛋白并没有表现出“附带活性（collateralactivity）”。附带活性指的是当RNA引导的内切酶靶向切割DNA时，会同时降解邻近的DNA或RNA。因此Fanzor蛋白具有被开发为更具专一性、更有效率基因编辑器的潜力。

与最常被使用于CRISPR系统的Cas9蛋白（约含1000-1600个氨基酸）相较，Fanzor蛋白同时也具有较小的尺寸，仅含有400-700个氨基酸。当基因编辑器的尺寸越大便越难以被递送入体内。像是碱基编辑（baseediting）和先导编辑（primeediting）这类下一代基因编辑器是通过将Cas9与其他酶相结合以达成对基因组更精准的调控，因此内切酶的尺寸大小对这类编辑器的开发尤为关键。

Broad研究所所长ToddGolub博士

虽然距离Fanzor蛋白被应用于疗法开发仍有一大段路要走，也需要更多的科学研究对此蛋白进行优化。然而在真核生物中所发现的基因编辑系统，具有更能在如人类基因组这样大型、复杂系统高效运作的潜在能力。正如同Broad研究所所长ToddGolub博士在2022年药明康德全球论坛上所表示，碱基编辑和CRISPR介导的基因编辑将拥有无限潜力。同时并鉴于CRISPR技术在短短10年内的飞速进展，且有望于今年迎来首个疗法，我们期待Fanzor蛋白能够在不久的将来在医学上获得实际应用，造福广大患者。