CRISPR研究先锋张锋博士Cell发表最新成果

　　

生物通报道  来自Broad研究所和麻省理工学院的研究人员与东京大学的同事们联手，生成了CRISPR-Cas 系统的关键组成部分——Cas9复合体的第一张高分辨率图像。近年来科学家们开始利用Cas9复合体作为一种基因组编辑工具来沉默基因，探究细胞生物学。这些发表在本周《细胞》（Cell）杂志上的研究成果，有望帮助研究人员改良及进一步操控这一工具加速基因组研究，使得这一技术更加接近应用于人类遗传疾病治疗。

于1987年在细菌中首次被发现，直到近期CRISPR（成簇的规律间隔短回文重复序列，clustered regularly interspaced short palindromic repeats）才被用作为基因组编辑工具。这些工具使得研究人员能够对人类基因组30亿碱基序列中的一些“拼写错误”进行导向目标追踪，除去甚至是改变问题序列。Cas9复合体对于这一过程至关重要，其是由CRISPR“切割”酶Cas9以及将Cas9酶引导至DNA靶点的一段“导向”RNA构成。

论文的共同资深作者、Broad研究所核心成员、McGovern脑研究所研究员、麻省理工学院副教授张锋（Feng Zhang）说：“我们将Cas9复合体视作是我们可以用来靶向基因组精确位点的终极制导导弹。这项研究提供了整个系统的示意图——它指明了导弹（Cas9蛋白）、将导弹送至正确位置的编程指令（导向RNA），以及靶DNA。它还揭示了这些部件是如何协同作用使得整个系统运作的秘密。”

为了解构这一系统，张锋与论文的共同资深作者、东京大学的Osamu Nureki一起组织研究小组解开了这一复杂的结构。

论文的第一作者、京东大学Nureki实验室生物物理学和生物化学助理教授Hiroshi Nishimasu说：“基于Cas9的基因组编辑技术大大地改变了广泛的生命科学领域，促成了许多新的试验技术，因此我和我的同事们对于能与张锋实验室一起合作开展这项重要的研究感到非常兴奋。”

这两个研究小组密切合作，揭示了Cas9复合体的结构细节，并测试了它们的功能重要性。他们的努力揭示出了Cas9复合体的内部分工。研究人员确定了Cas9蛋白是由两个裂片（lobe）组成：一个参与识别RNA和DNA元件，另一个裂片负责裂解靶DNA，导致双链断裂，破坏靶基因功能。研究小组还发现了Cas9与导向RNA接口的关键结构，其使得Cas9在准备切割DNA链时环绕RNA和靶DNA自组装。

鉴别出Cas9复合体的关键特征，应该可以促使研究人员改良基因组编辑工具，从而更好地满足他们的需求。

张锋说：“直到现在，合理操控Cas9仍是一件非常困难的事情。有了这一结构信息，现在我们就能够采用一种原理方法来操控这一蛋白使得它更为有效。”

当前，Cas9在实验中被用于沉默哺乳动物细胞基因——有时针对整个基因组的多个位点，并且一些大型的RNA序列文库被构建出来用于将Cas9引导至目的基因。但这一系统只能靶向一些特定类型的位点。一些研究还表明，RNA有可能引导Cas9“脱靶”，有可能导致细胞机器内部出现一些意想不到的问题。

研究人员计划利用这一新的、详细的Cas9复合体图像来解决这些担忧。

研究作者、张锋实验室研究生F. Ann Ran说：“了解这一结构或许可帮助我们解决Cas9复合体当前的一些局限性。在未来，使得我们能够设计出一些更特异性地满足我们研究需要的编辑工具版本。我们甚至或许可以改变Cas9靶向的核酸序列类型。”

如果要将CRISPR-Cas系统发展为治疗遗传疾病的一种治疗工具，这样的技术改进将是必要的。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

Nishimasu H et al. "Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA." Cell DOI: 10.1016/j.cell.2014.02.001