今年8月23日，我们团队——中国科学院微生物研究所向华团队，在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上发表了题为《工程化最小I型 CRISPR-Cas 实现人类细胞的转录激活和碱基编辑》的最新研究成果，成功应用Class 1中最精简的I-F2型系统，在人类细胞中实现了高效基因调控，并开发了具有宽编辑窗口的碱基编辑工具。
论文DOI: 10.1038/s41467-024-51695-x
怎样理解这款基因编辑的新工具呢？它又将如何改变我们的生活？
基因编辑技术，就像一把“基因魔剪”
基因编辑作为近年来发展迅猛的颠覆性技术，具有广阔的应用前景，如修复遗传疾病的突变基因、提高农作物的产量和抗旱性等【1】。
基因编辑技术是指对生命遗传物质（DNA）进行精确改造的技术。简单来说，它就像是给DNA做“剪切粘贴”的工具。
DNA是生物体内携带遗传信息的分子，它决定了生物的各种特征，比如眼睛的颜色、身高，甚至是某些疾病的易感性。想象一下，DNA就像是一本说明书，里面写着如何构建一个生物体的所有指令。基因编辑技术就是让我们能够阅读这本说明书，并且对其中的内容进行修改。
具体来说，基因编辑技术允许科学家们定位到DNA上的特定位置，然后进行精确的切割，就像是用剪刀剪掉说明书上的某一句话。接着，科学家们可以替换掉被剪掉的部分，或者添加一些新的内容，这就像是用胶水把新的句子粘到说明书上。
通过对指定的突变基因进行修复、对有害基因进行清除或对有益基因进行强化等，DNA的指令得到了修改，生物也从而获得了新的功能或表型。
最流行的“分子剪刀”，也并非完美
目前，最流行的基因编辑技术叫做CRISPR-Cas9，它就像是一把非常锋利的“分子剪刀”，可以快速、高效地对DNA进行编辑【2】。
那么，CRISPR-Cas9为什么能够起到“分子剪刀”的作用呢？
CRISPR-Cas系统是广泛存在于细菌和古菌中的免疫系统，就像是它们身体里的“警察”，能够识别并“抓住”那些想要伤害它们的病毒。
而CRISPR-Cas9就像是这个免疫系统中的一个特别厉害的“警察”。它由两部分组成：一个是“向导”（引导RNA），另一个是“剪刀”（Cas9蛋白）。当病毒试图入侵细菌时，“向导”会先找到病毒的DNA（就像是病毒的“身份证”），然后“剪刀”就会剪断病毒的DNA，使病毒无法正常工作。
科学家们发现这个“警察”非常厉害，于是他们就利用这个原理，开发出了一种叫做CRISPR-Cas9的工具，用来编辑其他生物的基因。
首先，科学家们会设计一个“向导”，这个“向导”可以精确地找到我们想要编辑的DNA序列。然后，再使用“剪刀手”在那个位置上剪断DNA。接下来，细胞会尝试修复这个断裂的地方，而科学家们可以利用这个机会，把他们想要的基因片段添加进去，或者修改现有的基因。
基因编辑技术 （图片来源：veer图库）
CRISPR-Cas系统具有高效、特异、设计简单等显著优势，目前已被广泛应用于从细菌至哺乳动物等多种生物的基因编辑【1】。
然而，即便是像CRISPR-Cas9工具这样流行的“分子剪刀”，也并非是完美的。传统的CRISPR-Cas系统在编辑过程中会切割靶标DNA双链，可能引起细胞损伤等风险。
碱基编辑技术：“剪刀”升级为“可擦笔”
为改进这一缺点，在传统的CRISPR-Cas系统基础上，衍生出了一种重要的碱基编辑技术【3】。
碱基编辑技术就像是一支特殊的笔，它结合了切割功能受损的CRISPR-Cas和一种叫做脱氨酶的“墨水”。当“向导”找到需要修改的DNA位置时，神奇的“墨水”可以直接把那个位置的字母改成我们想要的字母，从而避免了剪断DNA双链可能会造成的损伤。
但是，这种特殊的笔也有它的限制。比如，它只能在一定范围内修改字母，这个范围就是“编辑窗口”。目前，科学家们正在努力让这支笔进化得更小巧、更精确，并且能够修改不同范围的字母。
此外，就像不同的纸可能需要不同的笔来书写一样，单一的基因编辑工具难以在不同的生物中发挥功能。科学家们也正致力于发现更多CRISPR-Cas类型，为多样化的基因编辑工具开发提供支持【4】。
这也是我们团队（中国科学院微生物研究所向华团队）一直努力的方向【5-7】。
新款基因编辑“瑞士军刀”问世
如前文所说，在细菌的免疫系统中，CRISPR-Cas系统种类多样，不只有CRISPR-Cas9这一个“警察”。
其中，I型CRISPR-Cas系统可以组合多种Cas蛋白形成复合物（Cascade）。Cascade可以与不同的功能元件组装，开发不同的衍生工具。基于这一系统开发的遗传工具，在细菌和古菌中表现出高效性与适应性，但较大的基因尺寸却不利于工具的递送，限制了其在哺乳动物细胞中的应用。
因此，我们团队近年来将目光聚焦到了I-F2型系统上，它具有最精简、基因尺寸最小的Cascade。但在此前，科学家一直未能在哺乳动物细胞中检测到它的活性。这也为我们团队的研发带来了挑战。
通过生物信息学分析，我们团队在数据库中找到93个不同菌种来源的I-F2型CRISPR-Cas系统。这极大地扩充了这类系统的基因资源，为其应用提供更多选择。其中，11个不同来源的I-F2型CRISPR-Cas系统被合成并在人类细胞中测试其功能。
最终，我们发现来自奥斯陆莫拉氏菌（Moraxella osloensis CCUG 350）的I-F2型系统在人类细胞中可以表现出较好的活性。它的Cascade仅由3种蛋白组成（Cas5-6-7），基因大小之和约2.7kb, 比目前应用最广的SpCas9（约4.1kb）还要小。
我们通过将I-F2型系统融合不同的功能元件，在人类细胞中实现了不同的功能，它就像一组“瑞士军刀”，虽然小巧，但非常好用：
多基因表达上调：在该系统的Cas7蛋白上融合转录激活因子VPR，我们获得了I-F2型转录激活工具（I-F2 CRISPRa），可实现多个基因的表达上调。这意味着，如果我们想让细胞多产生一些特定的蛋白质，可以用这个功能来实现。
靶标基因表达进一步提高：通过对引导RNA和Cas7的工程化改造，靶标基因的表达进一步提高，可以与SpCas9相当，甚至在某些位点效果更强。可以理解工具变得更加高效，可以产生更多特定的蛋白。
更宽的编辑窗口：在该系统的Cas5蛋白上融合表达腺嘌呤脱氨酶TadA-8e，我们获得了I-F2型腺嘌呤碱基编辑工具（I-F2 ABE），其编辑窗口覆盖约30个碱基（基于Cas9的碱基编辑工具窗口通常小于10个碱基），可以将编辑窗口内的腺嘌呤A变为鸟嘌呤G。I-F2 ABE产生的宽编辑窗口具有更多的可靶向位点，能诱导更多的突变类型。
I-F2型底层平台构建新型转录激活及碱基编辑工具
（图片来源：作者自绘）
应用潜力巨大，有望开发更多新型工具
目前来看，这款新型的基因编辑工具，展示出了巨大的潜力：
利于真核细胞中递送：这项研究突出了精简的I-F2型系统在真核生物中的应用潜力，其小型化的基因组成利于基因编辑工具的体内递送。
适用于作物育种与改良：宽窗口的碱基编辑工具适用于功能序列的破坏、作物育种中重要基因的原位饱和诱变与多重碱基编辑等。
新型底层平台：I-F2型系统Cascade的多蛋白组成，使其便于融合多个功能元件，为开发更多新颖的基因操作工具提供底层平台。
这项研究突出了精简的I型系统在真核生物中的应用潜力，尤其是具有宽编辑窗口的碱基编辑工具。未来，对该系统进行全面的工程化改造，还有望进一步提高其编辑效率或转录激活水平。
参考文献：
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Cheng, F. et al. Harnessing the native type I-B CRISPR-Cas for genome editing in a polyploid archaeon. Journal of Genetics and Genomics 44, 541-548, doi:10.1016/j.jgg.2017.09.010 (2017).
出品：科普中国
作者：龚路遥（中国科学院微生物研究所）
监制：中国科普博览
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