出品：科普中國

作者：龔路遙（中國科學院微生物研究所）

監制：中國科普博覽

編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰與驚喜的旅程。

去年8月23日，我們團隊——中國科學院微生物研究所向華團隊，在國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上發表了題為《工程化最小I型 CRISPR-Cas 實現人類細胞的轉錄激活和堿基編輯》的最新研究成果，成功應用Class 1中最精簡的I-F2型系統，在人類細胞中實現了高效基因調控，并開發了具有寬編輯窗口的堿基編輯工具。

論文DOI: 10.1038/s41467-024-51695-x

怎樣理解這款基因編輯的新工具呢？它又將如何改變我們的生活？

基因編輯技術，就像一把“基因魔剪”

基因編輯作為近年來發展迅猛的顛覆性技術，具有廣闊的應用前景，如修復遺傳疾病的突變基因、提高農作物的產量和抗旱性等。

基因編輯技術是指對生命遺傳物質（DNA）進行精確改造的技術。簡單來說，它就像是給DNA做“剪切粘貼”的工具。

DNA是生物體內攜帶遺傳信息的分子，它決定了生物的各種特征，比如眼睛的顏色、身高，甚至是某些疾病的易感性。想象一下，DNA就像是一本說明書，里面寫著如何構建一個生物體的所有指令。基因編輯技術就是讓我們能夠閱讀這本說明書，并且對其中的內容進行修改。

具體來說，基因編輯技術允許科學家們定位到DNA上的特定位置，然后進行精確的切割，就像是用剪刀剪掉說明書上的某一句話。接著，科學家們可以替換掉被剪掉的部分，或者添加一些新的內容，這就像是用膠水把新的句子粘到說明書上。

通過對指定的突變基因進行修復、對有害基因進行清除或對有益基因進行強化等，DNA的指令得到了修改，生物也從而獲得了新的功能或表型。

最流行的“分子剪刀”，也并非完美

目前，最流行的基因編輯技術叫做CRISPR-Cas9，它就像是一把非常鋒利的“分子剪刀”，可以快速、高效地對DNA進行編輯。

那么，CRISPR-Cas9為什么能夠起到“分子剪刀”的作用呢？

CRISPR-Cas系統是廣泛存在于細菌和古菌中的免疫系統，就像是它們身體里的“警察”，能夠識別并“抓住”那些想要傷害它們的病毒。

而CRISPR-Cas9就像是這個免疫系統中的一個特別厲害的“警察”。它由兩部分組成：一個是“向導”（引導RNA），另一個是“剪刀”（Cas9蛋白）。當病毒試圖入侵細菌時，“向導”會先找到病毒的DNA（就像是病毒的“身份證”），然后“剪刀”就會剪斷病毒的DNA，使病毒無法正常工作。

科學家們發現這個“警察”非常厲害，于是他們就利用這個原理，開發出了一種叫做CRISPR-Cas9的工具，用來編輯其他生物的基因。

首先，科學家們會設計一個“向導”，這個“向導”可以精確地找到我們想要編輯的DNA序列。然后，再使用“剪刀手”在那個位置上剪斷DNA。接下來，細胞會嘗試修復這個斷裂的地方，而科學家們可以利用這個機會，把他們想要的基因片段添加進去，或者修改現有的基因。

基因編輯技術

（圖片來源：veer圖庫）

CRISPR-Cas系統具有高效、特異、設計簡單等顯著優勢，目前已被廣泛應用于從細菌至哺乳動物等多種生物的基因編輯。

然而，即便是像CRISPR-Cas9工具這樣流行的“分子剪刀”，也并非是完美的。傳統的CRISPR-Cas系統在編輯過程中會切割靶標DNA雙鏈，可能引起細胞損傷等風險。

堿基編輯技術：“剪刀”升級為“可擦筆”

為改進這一缺點，在傳統的CRISPR-Cas系統基礎上，衍生出了一種重要的堿基編輯技術。

堿基編輯技術就像是一支特殊的筆，它結合了切割功能受損的CRISPR-Cas和一種叫做脫氨酶的“墨水”。當“向導”找到需要修改的DNA位置時，神奇的“墨水”可以直接把那個位置的字母改成我們想要的字母，從而避免了剪斷DNA雙鏈可能會造成的損傷。

但是，這種特殊的筆也有它的限制。比如，它只能在一定范圍內修改字母，這個范圍就是“編輯窗口”。目前，科學家們正在努力讓這支筆進化得更小巧、更精確，并且能夠修改不同范圍的字母。

此外，就像不同的紙可能需要不同的筆來書寫一樣，單一的基因編輯工具難以在不同的生物中發揮功能?？茖W家們也正致力于發現更多CRISPR-Cas類型，為多樣化的基因編輯工具開發提供支持。

這也是我們團隊（中國科學院微生物研究所向華團隊）一直努力的方向。

新款基因編輯“瑞士軍刀”問世

如前文所說，在細菌的免疫系統中，CRISPR-Cas系統種類多樣，不只有CRISPR-Cas9這一個“警察”。

其中，I型CRISPR-Cas系統可以組合多種Cas蛋白形成復合物（Cascade）。Cascade可以與不同的功能元件組裝，開發不同的衍生工具。基于這一系統開發的遺傳工具，在細菌和古菌中表現出高效性與適應性，但較大的基因尺寸卻不利于工具的遞送，限制了其在哺乳動物細胞中的應用。

因此，我們團隊近年來將目光聚焦到了I-F2型系統上，它具有最精簡、基因尺寸最小的Cascade。但在此前，科學家一直未能在哺乳動物細胞中檢測到它的活性。這也為我們團隊的研發帶來了挑戰。

通過生物信息學分析，我們團隊在數據庫中找到93個不同菌種來源的I-F2型CRISPR-Cas系統。這極大地擴充了這類系統的基因資源，為其應用提供更多選擇。其中，11個不同來源的I-F2型CRISPR-Cas系統被合成并在人類細胞中測試其功能。

最終，我們發現來自奧斯陸莫拉氏菌（Moraxella osloensis CCUG 350）的I-F2型系統在人類細胞中可以表現出較好的活性。它的Cascade僅由3種蛋白組成（Cas5-6-7），基因大小之和約2.7kb, 比目前應用最廣的SpCas9（約4.1kb）還要小。

我們通過將I-F2型系統融合不同的功能元件，在人類細胞中實現了不同的功能，它就像一組“瑞士軍刀”，雖然小巧，但非常好用：

1.多基因表達上調：在該系統的Cas7蛋白上融合轉錄激活因子VPR，我們獲得了I-F2型轉錄激活工具（I-F2 CRISPRa），可實現多個基因的表達上調。這意味著，如果我們想讓細胞多產生一些特定的蛋白質，可以用這個功能來實現。

2.靶標基因表達進一步提高：通過對引導RNA和Cas7的工程化改造，靶標基因的表達進一步提高，可以與SpCas9相當，甚至在某些位點效果更強。可以理解工具變得更加高效，可以產生更多特定的蛋白。

3.更寬的編輯窗口：在該系統的Cas5蛋白上融合表達腺嘌呤脫氨酶TadA-8e，我們獲得了I-F2型腺嘌呤堿基編輯工具（I-F2 ABE），其編輯窗口覆蓋約30個堿基（基于Cas9的堿基編輯工具窗口通常小于10個堿基），可以將編輯窗口內的腺嘌呤A變為鳥嘌呤G。I-F2 ABE產生的寬編輯窗口具有更多的可靶向位點，能誘導更多的突變類型。

I-F2型底層平臺構建新型轉錄激活及堿基編輯工具

（圖片來源：作者自繪）

應用潛力巨大，有望開發更多新型工具

目前來看，這款新型的基因編輯工具，展示出了巨大的潛力：

1.利于真核細胞中遞送：這項研究突出了精簡的I-F2型系統在真核生物中的應用潛力，其小型化的基因組成利于基因編輯工具的體內遞送。

2.適用于作物育種與改良：寬窗口的堿基編輯工具適用于功能序列的破壞、作物育種中重要基因的原位飽和誘變與多重堿基編輯等。

3.新型底層平臺：I-F2型系統Cascade的多蛋白組成，使其便于融合多個功能元件，為開發更多新穎的基因操作工具提供底層平臺。

這項研究突出了精簡的I型系統在真核生物中的應用潛力，尤其是具有寬編輯窗口的堿基編輯工具。未來，對該系統進行全面的工程化改造，還有望進一步提高其編輯效率或轉錄激活水平。

參考文獻：

1.Pacesa, M., Pelea, O. & Jinek, M. Past, present, and future of CRISPR genome editing technologies. Cell 187, 1076-1100, doi:10.1016/j.cell.2024.01.042 (2024).

2.路遙 & 向華. 2020 年度諾貝爾化學獎: 源自微生物學前沿研究的重大突破. 科學通報 65, 4171-4176, doi:10.1360/TB-2020-1416 (2020).

3.Komor, A. C., Kim, Y. B., Packer, M. S., Zuris, J. A. & Liu, D. R. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533, 420-424, doi:10.1038/nature17946 (2016).

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來源: 中國科普博覽

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