張鋒團隊首次在真核生物中發現CRISPR樣系統

　　CRISPR-Cas 系統是存在于原核生物（細菌和古菌）中的一類古老的免疫系統，用于抵御防御外源遺傳元件（例如噬菌體）入侵。通過對該系統的研究，科學家們開發出了一系列強大的基因編輯工具，例如 CRISPR-Cas9，其通過 RNA 引導的 Cas9 核酸酶，對 DNA 進行切割，實現基因組編輯。

　　除了原核生物外，科學家們還發現，許多病毒（噬菌體）中也存在 CRISPR 系統。那么，真核生物中是否也存在類似 CRSIPR 的系統呢？

　　2023 年 6 月 28 日，張鋒團隊在 Nature 期刊發表了題為：Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease 的研究論文【1】。

　　研究團隊在真核生物中發現了第一個 RNA 引導的 DNA 切割酶——Fanzor，更重要的是，這種新型 CRISPR 樣系統，可以在重編程后實現對人類基因組的編輯。

　　此外，相比 CRISPR-Cas 系統，Fanzor 系統非常緊湊，更容易遞送到細胞和組織中。而且，Fanzor 系統沒有旁系切割活性，可實現更精準的基因組編輯。

　　這項最新研究也提示我們，RNA 引導的 DNA 切割機制存在于所有生物界。

　　張鋒教授表示，基于 CRISPR 的基因編輯系統功能強大，已經被廣泛使用，這是因為它們可以很容易被重新編程以靶向基因組中的不同位點。而這項研究發現的新系統代表了對人類細胞進行精確改變的另一種方式，是對我們已經擁有的基因組編輯工具的補充。

　　張鋒實驗室的一個主要目標是利用能夠靶向特定基因和過程來調控人類細胞的系統來開發基因藥物。張鋒教授表示，幾年前我們開始思考，除了 CRISPR，還有什么？自然界中還有其他 RNA 可編程系統嗎？

　　2021 年 9 月，張鋒團隊在 Science 期刊發表論文【2】，發現了一類廣泛的轉座子編碼的 RNA 引導核酸酶，并將其命名為 OMEGA 系統（包括IscB、IsrB、Tnp8），而它是 CRISPR-Cas 系統的祖先。

　　OMEGA 系統使用 RNA 來指導切割 DNA 雙鏈，即 ωRNA。這些核酸酶很小，僅為 Cas9 的大約 30%，這意味著它們可能更容易被遞送到細胞中。這些發現也提示了我們，還有更多的可編程核酸酶等待著發現和進一步開發。

　　Fanzor 是一種由轉座子編碼的真核 TnpB-IS200/IS605 樣蛋白，來自真核生物的 Fanzor 蛋白與來自原核生物的 Tnp8 具有遠程同源性。這表明，Fanzor 也可能使用 RNA 引導機制來靶向和切割 DNA。

　　在這項最新研究中，研究團隊從真菌、藻類、變形蟲以及北圓蛤（一種蛤蜊）中分離 Fanzor 蛋白，并進行 RNA 引導系統得研究。對 Fanzor 蛋白的生化表征表明，Fanzor 是一類 DNA 切割內切酶，使用 ωRNA 來靶向基因組中的特定位點。這是首次在包括動物在內的真核生物中發現這種機制。

　　與 CRISPR 系統的核酸酶不同的是，Fanzor 酶被編碼在真核生物基因組的轉座子中，系統發育分析表明，Fanzor 基因是通過水平基因轉移從細菌跳躍到了真核生物中。

　　為了探索 Fanzor 作為基因組編輯工具的潛力，研究團隊證明了它可以在人類細胞的目標基因組位點上產生 DNA 插入和缺失。他們發現，Fanzor 系統最初在剪切 DNA 方面的效率低于 CRISPR-Cas 系統，但通過系統工程改造，在 Fanzor 蛋白中引入了一系列突變，可使其活性提高 10 倍。

　　此外，與一些 CRISPR 系統和 OMEGA 系統中的 TnpB 不同，研究團隊發現，真菌來源的 Fanzor 蛋白沒有表現出旁系切隔活性（Collateral Activity），也就是說，Fanzor 不會在 RNA 引導下切割目標位點附近的 DNA，這意味著，Fanzor 可能實現比 CRISPR-Cas 系統更精準的基因組編輯。

　　研究團隊還分析了 Fanzor-ωRNA 復合物的分子結構，并解析了它是如何附著在 DNA 上并切割 DNA 的。Fanzor 與其在原核生物中對應的 CRISPR-Cas12 蛋白結構相似，但 ωRNA 與 Fanzor 催化結構域的相互作用更為廣泛，提示 ωRNA 可能在催化反應中發揮作用。這些發現有助于進一步設計和優化 Fanzor，以提高其作為基因組編輯器的效率和精度。

　　Fanzor 蛋白與 ωRNA 復合物及其靶 DNA 的冷凍電鏡結構，Fanzor 蛋白不同結構域用灰色、黃色、淺藍色和粉紅色表示，ωRNA 為紫色，DNA 雙線中的目標鏈為紅色，非目標鏈為藍色

　　就像基于 CRISPR 的基因編輯系統一樣，Fanzor 系統可以很容易地進行重編程，從而靶向特定的基因組位點。

　　張鋒教授表示，有一天 Fanzor 系統可能會發展成為一種強大的新型基因組編輯技術，用于科學研究和疾病治療。像 Fanzors 這樣的 RNA 引導的內切酶的發現進一步擴大了已知的 OMEGA 系統的數量。大自然太神奇了，有著如此豐富的多樣性，可能還有很多 RNA 可編程系統，我們也將繼續探索，希望能夠發現更多。