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作者：龚路遥（中国科学院微生物研究所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神(shén)秘(mì)面(miàn)纱(shā)，前(qián)沿(yán)科(kē)技(jì)项(xiàng)目(mù)推(tuī)出(chū)“我(wǒ)和(hé)我(wǒ)的(de)研(yán)究(jiū)”系(xì)列(liè)文章(zhāng)，邀(yāo)请(qǐng)科(kē)学(xué)家(jiā)亲(qīn)自(zì)执(zhí)笔(bǐ)，分(fēn)享(xiǎng)科(kē)研(yán)历(lì)程(chéng)，打(dǎ)造(zào)科(kē)学(xué)世(shì)界(jiè)。让(ràng)我(wǒ)们(men)跟(gēn)随(suí)站(zhàn)在(zài)科(kē)技(jì)最(zuì)前(qián)沿(yán)的(de)探(tàn)索(suǒ)者(zhě)们(men)，开(kāi)启(qǐ)一(yī)段(duàn)段(duàn)充(chōng)满(mǎn)热(rè)情(qíng)、挑(tiāo)战(zhàn)与(yǔ)惊(jīng)喜(xǐ)的(de)旅(lǚ)程(chéng)。
去(qù)年(nián)8月(yuè)23日(rì)，我(wǒ)们(men)团(tuán)队(duì)——中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)院(yuàn)微(wēi)生(shēng)物(wù)研(yán)究(jiū)所(suǒ)向(xiàng)华(huá)团(tuán)队(duì)，在(zài)国(guó)际(jì)期(qī)刊(kān)《自(zì)然(rán)·通(tōng)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(měng)的(de)颠(diān)覆(fù)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。
基因编辑技术是指(zhǐ)对(duì)生(shēng)命(mìng)遗(yí)传(chuán)物(wù)质(zhì)（DNA）进(jìn)行(xíng)精(jīng)确(què)改(gǎi)造(zào)的(de)技(jì)术(shù)。简(jiǎn)单(dān)来(lái)说(shuō)，它(tā)就(jiù)像(xiàng)是(shì)给(gěi)DNA做(zuò)“剪(jiǎn)切(qiè)粘(zhān)贴(tiē)”的(de)工(gōng)具(jù)(jù)。
DNA是(shì)(shì)生(shēng)(shēng)物(wù)(wù)体(tǐ)(tǐ)内(nèi)(nèi)携(xié)(xié)带(dài)(dài)遗(yí)(yí)传(chuán)(chuán)信(xìn)(xìn)息(xi)的(de)分(fēn)子(zi)，它(tā)决(jué)定(dìng)了(le)生(shēng)物(wù)的(de)各(gè)种(zhǒng)特(tè)征(zhēng)，比(bǐ)如(rú)眼(yǎn)睛(jing)的(de)颜(yán)色(sè)、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(miàn)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(diào)的(de)部(bù)分(fēn)，或(huò)者(zhě)添(tiān)加(jiā)一(yī)些(xiē)新(xīn)的(de)内(nèi)容(róng)，这(zhè)就(jiù)像(xiàng)是(shì)用(yòng)胶(jiāo)水(shuǐ)把(bǎ)新(xīn)的(de)句(jù)子(zi)粘(zhān)到(dào)说(shuō)明(míng)书(shū)上(shàng)。
通(tōng)过(guò)对(duì)指(zhǐ)定(dìng)的(de)突(tū)变(biàn)基(jī)因(yīn)进(jìn)行(xíng)修(xiū)复(fù)、对(duì)有(yǒu)害(hài)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。
那么，CRISPR-Cas9为(wèi)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(jiù)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(biān)辑(ji)其(qí)他(tā)生(shēng)物(wù)的(de)基(jī)因(yīn)。
首(shǒu)先(xiān)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)会(huì)设(shè)计(jì)一(yī)个(gè)“向(xiàng)导(dǎo)”，这(zhè)个(gè)“向(xiàng)导(dǎo)”可(kě)以(yǐ)精(jīng)确(què)地(de)找(zhǎo)到(dào)我(wǒ)们(men)想(xiǎng)要(yào)编(biān)辑(ji)的(de)DNA序(xù)列(liè)。然(rán)后(hòu)，再(zài)使(shǐ)用(yòng)“剪(jiǎn)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(jì)术(shù)
（图(tú)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。
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。
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(biān)辑(ji)工(gōng)具(jù)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。
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。
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(tǒng)可(kě)以(yǐ)组(zǔ)合(hé)多(duō)种(zhǒng)Cas蛋(dàn)白(bái)形(xíng)成(chéng)复(fù)合(hé)物(wù)（Cascade）。Cascade可(kě)以(yǐ)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(lù)莫(mò)拉(lā)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：
1.多基因表达上调：在该系统的Cas7蛋(dàn)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。
2.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。
3.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：
1.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。
2.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。
3.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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