张锋《Nature》发布CRISPR重要成果：靶向哺乳动物细胞RNA

　　CRISPR这一明星技术在基因组DNA编辑方面发挥了许多重要的作用，虽然其主要应用于DNA，但一些新的研究已将它的范围扩展至RNA编辑。去年Nature Methods评选出的年度技术中就有将革命性的CRISPR基因编辑技术用来靶向RNA，其中的一大进展就是麻省理工张锋研究组关于能够靶向和降解RNA的一种RNA引导酶——C2c2（也被称为Cas13a）功能特征的研究。

　　

生物通报道：CRISPR这一明星技术在基因组DNA编辑方面发挥了许多重要的作用，虽然其主要应用于DNA，但一些新的研究已将它的范围扩展至RNA编辑。去年Nature Methods评选出的年度技术中就有将革命性的CRISPR基因编辑技术用来靶向RNA，其中的一大进展就是麻省理工张锋研究组关于能够靶向和降解RNA的一种RNA引导酶——C2c2（也被称为Cas13a）功能特征的研究。

在此基础上，张锋研究组在10月5日Nature杂志上又公布一项最新成果：“RNA targeting with CRISPR–Cas13”，证实了切割RNA的Cas13a酶能够特异性地降低哺乳动物细胞中的内源性RNA和报告RNA水平。并指出这种方法比RNA干扰（RNAi）的效率更高，能被用于抑制细胞RNA靶标，结合和富集感兴趣的RNA，以及通过序列特异结合对细胞内的RNA进行成像。

CRISPR vs. RNAi

张锋博士是近几年大热的CRISPR/Cas9技术的先驱开创者之一。2013年，这位80后的年轻华人科学家开发出了可用来编辑DNA、敲除指定基因的CRISPR/Cas系统，自此之后一直致力于推动这一技术走向完美。而在改良及进一步操控CRISPR/Cas9这一工具加速基因组研究的同时，张锋课题组也在寻求进一步扩大基因组编辑的工具箱。

2015年，这一研究组发现了自然存在的、具有基因组编辑潜力的三个新系统：C2c1、C2c2和C2c3。其后张锋与Eugene Koonin等人合作也揭示了第一个确定只靶向RNA的自然CRISPR系统：C2c2的功能特征，研究表明可以编程C2c2来切割细菌细胞中特异的RNA序列。

目前在RNA编辑方面应用最为普遍的是RNAi，RNAi技术利用的是小干扰RNA（siRNA）或短发夹RNA（shRNA）触发具有互补序列的靶mRNA（即信使RNA）降解，因而抑制细胞中的特定基因表达。此前Molecular Cell杂志技术特刊的一篇文章对RNAi、TALEN和CRISPR这三大工具进行了全面比较，文章指出RNAi比较容易出现错误，siRNA/shRNA的脱靶效应会引起假阳性结果，siRNA/shRNA缺乏活性会引起假阴性结果。虽然CRISPR系统也存在脱靶效应，但要比RNAi少得多。CRISPR基因敲除、CRISPRi与shRNA，谁更胜一筹？

哺乳动物RNA编辑

Cas13a的发现也为CRISPR在RNA编辑方面的应用提供了重要的工具，今年上半年，张锋研究组发现Cas13a有独特的性质，不仅靶向RNA，还可以靶向DNA，同时还能还切割了RNA附近的序列，他们由此研发出了一种核酸检测平台SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing），这个平台包含有一个切割时发出荧光的报告RNA链。当Cas13a检测到靶标RNA序列时，其RNAse活性就会切割报告序列，释放可检测的荧光信号。

这一系统让研究人员想到了福尔摩斯（Sherlock Holmes）。于是他们把这套系统称为SHERLOCK（Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing）。

由此Cas13a作为一种非特异性的RNA切割酶，能发挥重要的作用，但是在哺乳动物细胞中，Cas13a是否具有同样的功能呢？

最新这篇文章就证实了这一点，研究人员发现切割RNA的Cas13a酶，能够特异性地降低哺乳动物细胞中的内源性RNA和报告RNA水平。而且他们也指出与在细菌中不同的是，Cas13a在人细胞系中，仅仅只是靶向gRNA指定的RNA，细胞中所有其它的RNA保持完整。

来自罗彻斯特大学的Mitchell O’Connell（未参与这项研究）点评道，“在CRISPR出现之前，RNAi是调节基因表达的理想方法。但是Cas13a一大优势就在于其具有更强的特异性，而且这种本身来自细菌的系统对哺乳动物细胞来说，并不是内源性的，因此不太可能干扰细胞中天然的转录。相反，RNAi利用内源性机制进行基因敲除，对本身的影响较大。”

研究人员分离得到了Leptotrichia wadei的Cas13a酶，构建出了一种双质粒RNA靶向CRISPR系统，这一系统能在不同的质粒上表达导向RNA（gRNA）和Cas13a基因，其中Cas13a基因含有一种经过改造的核定位序列。在人细胞系中，这种CRISPR-Cas13a系统能高效地切割报告质粒中转录的RNA和三种内源性基因转录的RNA。

这并不是唯一一种RNA靶向CRISPR系统，此前张锋研究组还发现了Cas13b。像Cas13a一样，Cas13b仅需要单个向导RNA就能找到靶标，并且从遗传学的角度是可编码的。此外，Cas13b能够同时靶向多个RNA转录本。但Cas13b也有一些独特的特点，表明它与Cas13a是不同的。这些特性使得Cas13b更适用于微调基因功能。

（生物通：万纹）

原文标题：

O.O. Abudayyeh et al., “RNA targeting with CRISPR–Cas13,” Nature, doi:10.1038/nature24049, 2017.