解码基因编辑

本报记者 谢开飞

    CRISPR-Cas13系统能够靶向编辑RNA，被称为“RNA魔剪”。随着科学家们研究的深入，其家族成员不断壮大。近日，发表在《自然·通讯》的一项成果，揭开了“RNA魔剪”家族最年轻成员“CRISPR-Cas13d”的神秘面纱。

    这项成果来自福建师范大学欧阳松应教授团队。该团队解析了瘤胃球菌的Cas13d蛋白（简称UrCas13d）与crRNA二元复合物高分辨率晶体结构，揭示了UrCas13d加工前体crRNA的酶活性关键位点，鉴定了crRNA的间隔序列和靶向RNA之间的错配耐受性等之前尚未研究清楚的问题。

    “这就像飞机设计工程师获得了设计并制造一架飞机的图纸与工序，为修理或设计出更出色的飞机提供了蓝图。”欧阳松应表示，这为进一步改造Cas13d作为核酸编辑及检测工具，并发挥其在解决人类疾病与健康等问题上的应用潜力，提供了扎实的结构基础和理论依据。

    “RNA魔剪”应用潜力巨大

    CRISPR-Cas系统是一种原核生物（细菌和古细菌）的免疫防御系统，该系统表达的非编码RNA（crRNA）及其相关Cas蛋白组成的复合物，使得原核生物能够识别并且“撕碎”入侵噬菌体的核酸物质（DNA或者RNA），用以保持自身遗传物质的“纯洁”，在原核生物的进化中起到重要作用。

    “正是由于这种精确地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas系统被开发成高效的基因编辑工具，可以对遗传物质DNA或RNA，进行依赖核酸序列信息的精确识别和切割。”欧阳松应说，其中名声在外的CRISPR-Cas9系统可以高效地编辑DNA序列，用于纠正个体细胞内的基因缺陷，给众多遗传疾病和罕见病治疗带来了希望，该系统已经从实验室研究阶段进入到临床研究阶段，具有治愈或预防多种人类疾病的潜力。

    近年来，源于生物学研究及医学领域的巨大应用潜力，一类可以特异地靶向检测与编辑RNA的CRISPR-Cas系统被发现并报道出来，命名为Cas13（包括了a、b、c、d四个家族成员）系统。这一针对RNA的编辑工具可以在RNA水平调节基因的功能，而不会对基因本身造成永久性改变。

    2018年4月，美国索尔克研究所一个课题组和美国Arbor生物技术公司的课题组分别报道了通过生物信息学方法筛选，并经过功能实验验证的新型Cas蛋白，命名为Cas13d。作为最年轻的成员，Cas13d与其他“兄弟姐妹”在功能上有着相似之处，但更有其独特之处。

    “关键在于大小。”欧阳松应介绍，Cas13d的蛋白序列长度约为930个氨基酸，比其他Cas13家族成员明显偏小，比Cas9更是小33%，这种尺寸使其更容易包装到容量较小的载体中，如腺相关病毒（AAV）载体，因此在开发新药、新材料和新的诊断方法上具有广泛应用潜力。

    获得新型“魔剪”高分辨率晶体结构

    结构生物学是分子生物学、生物化学及生物物理学的分支学科，关心的是生物大分子（例如蛋白质分子和核酸分子）的分子三维结构（包括构架和形态），获得它们的结构信息，并研究生物大分子的结构与功能之间的关系。

    “所有的生命活动都是通过各种生物大分子的相互作用来实现，而结构生物学能够解释生物大分子的构象和相互作用的方式，从原子水平揭示生命过程的详细机制，使人们‘知其然而知其所以然’。”欧阳松应告诉记者，目前结构生物学的研究范围已经涉及到大多数重要的生命活动，分子生物学的每一个前沿突破都与结构生物学密切相关。

    在本研究中，欧阳松应课题组将结构生物学与生命科学前沿研究课题结合，解析了UrCas13d蛋白和crRNA二元复合物的高分辨率晶体结构，可以直观看到每一个原子的位置及它们之间的相互作用细节信息。

    “当入侵者到来，CRISPR-Cas系统会在‘指挥官’（前导序列）的调控下转录出两种‘防御材料’，其中一种就是前体crRNA，另一种是我们研究的Cas蛋白。”欧阳松应比喻说。这一研究清楚地解释了Cas13d这把“新型魔剪”，究竟采用了什么样的空间结构布局来加工前体crRNA，并如何结合成熟的crRNA，形成具有识别靶向RNA能力的功能复合物，从而进一步研究清楚该蛋白具有的crRNA依赖的RNase活性的分子机理。

    相关研究表明，Cas13d可做为一种强大RNA编辑工具，用于纠正老年痴呆症患者细胞中引起疾病的蛋白质失衡。同时，Cas13d可以作为一种可操控的RNA结合模块，有效靶向细胞内的RNA转录物，为转录组工程和疾病治疗提供了一个通用平台。

    “该研究揭开了CRISPR-Cas13d系统的神秘面纱，对其技术机制特点有了更深刻理解，有助于这项技术更广泛地应用，从而造福人类。”欧阳松应说。