研究人员在动物体内发现了一种新的类似 CRISPR 的系统，可以编辑人类基因组
Fanzor 是真核生物中发现的第一种 RNA 引导的 DNA 切割酶，有一天可以用来比 CRISPR/Cas 系统更精确地编辑 DNA。
麻省理工学院麦戈文脑研究所以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所的张锋领导的研究小组在真核生物（包括真菌、植物和动物）中发现了第一个可编程的 RNA 引导系统。
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，该团队描述了该系统如何基于一种名为 Fanzor 的蛋白质。他们表明 Fanzor 蛋白使用 RNA 作为精确靶向 DNA 的指南，并且 Fanzor 可以重新编程以编辑人类细胞的基因组。与 CRISPR-Cas 系统相比，紧凑型 Fanzor 系统有可能更容易地作为治疗药物递送至细胞和组织，并且进一步改进以提高其靶向效率可能使它们成为人类基因组编辑的有价值的新技术。
CRISPR-Cas 首次在原核生物（细菌和其他缺乏细胞核的单细胞生物）中发现，包括张实验室在内的科学家长期以来一直想知道真核生物中是否存在类似的系统。这项新研究表明，RNA 引导的 DNA 切割机制存在于所有生命领域。
“基于 CRISPR 的系统被广泛使用且功能强大，因为它们可以轻松地重新编程以针对基因组中的不同位点，”该研究的资深作者、麻省理工学院生物工程系和帕特里夏·波伊特拉斯神经科学教授 James 和 Patricia Poitras 说。脑与认知科学，麻省理工学院麦戈文研究所研究员，布罗德研究所核心研究所成员，霍华德休斯医学研究所研究员。“这个新系统是对人类细胞进行精确改变的另一种方法，补充了我们已有的基因组编辑工具。”
寻找生命的领域
张实验室的一个主要目标是使用可以通过针对特定基因和过程来调节人类细胞的系统来开发基因药物。“几年前，我们开始问，‘除了 CRISPR 之外还有什么，自然界中是否还有其他 RNA 可编程系统？’”张说。
两年前，张实验室成员在原核生物中发现了一类名为 OMEGA 的 RNA 可编程系统，该系统通常与细菌基因组中的转座元件或“跳跃基因”相关，并可能产生 CRISPR-Cas 系统。这项工作还强调了原核 OMEGA 系统和真核生物中 Fanzor 蛋白之间的相似性，表明 Fanzor 酶也可能使用 RNA 引导的机制来靶向和切割 DNA。
在这项新研究中，研究人员通过从真菌、藻类和变形虫物种以及一种被称为北方圆蛤的蛤中分离出 Fanzors，继续研究 RNA 引导系统。张实验室的共同第一作者 Makoto Saito 领导了 Fanzor 蛋白的生化表征，表明它们是 DNA 切割核酸内切酶，利用附近的非编码 RNA（称为 ωRNA）来靶向基因组中的特定位点。这是首次在动物等真核生物中发现这种机制。
与 CRISPR 蛋白不同，Fanzor 酶是在真核基因组的转座元件中编码的，该团队的系统发育分析表明 Fanzor 基因已通过所谓的水平基因转移从细菌迁移到真核生物。
“这些 OMEGA 系统是 CRISPR 的祖先，它们是地球上最丰富的蛋白质之一，因此它们能够在原核生物和真核生物之间来回跳跃是有道理的，”Saito 说。
无附带损害
为了探索 Fanzor 作为基因组编辑工具的潜力，研究人员证明它可以在人类细胞内的目标基因组位点产生插入和删除。研究人员发现 Fanzor 系统最初剪切 DNA 的效率低于 CRISPR-Cas 系统，但通过系统工程，他们在蛋白质中引入了突变组合，使其活性提高了 10 倍。此外，与一些 CRISPR 系统和 OMEGA 蛋白 TnpB 不同，研究小组发现真菌衍生的 Fanzor 蛋白不表现出“附带活性”，即 RNA 引导的酶切割其 DNA 靶标并降解附近的 DNA 或 RNA。结果表明 Fanzors 有可能被开发为高效的基因组编辑器。
共同第一作者 Peiyu Xu 领导了一项工作，分析了 Fanzor/ωRNA 复合物的分子结构，并说明了它如何锁定 DNA 并对其进行切割。Fanzor 与其原核对应物 CRISPR-Cas12 蛋白具有结构相似性，但 ωRNA 与 Fanzor 催化结构域之间的相互作用更广泛，表明 ωRNA 可能在催化反应中发挥作用。Xu 说：“我们对这些结构见解感到兴奋，因为它们可以帮助我们进一步设计和优化 Fanzor，从而提高基因组编辑的效率和精度。”
与基于 CRISPR 的系统一样，Fanzor 系统可以轻松地重新编程以针对特定的基因组位点，Zhang 表示，有一天它可能会发展成为一种强大的新型基因组编辑技术，用于研究和治疗应用。像 Fanzors 这样大量的 RNA 引导核酸内切酶进一步扩大了生命王国中已知的 OMEGA 系统的数量，并表明还有更多的系统有待发现。
“大自然真是太神奇了。多样性如此之多，”张说。“可能还有更多的 RNA 可编程系统，我们正在继续探索，希望能发现更多。”