张锋10月连发Science,Nature文章:CRISPR下一个技术趋势—RNA编辑

【字体: 时间:2017年10月27日 来源:生物通

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  10月25日Science发表了CRISPR技术先驱张锋研究组的最新成果:RNA editing with CRISPR-Cas13,咋一看这个标题还以为是张锋一稿多投(:P),因为实在是与本月初他们研究组发表在Nature的论文标题太像了(Nature论文:RNA targeting with CRISPR–Cas13)。这两篇论文聚焦的都是CRISPR的另外一大技术应用:RNA靶向编辑。

  

生物通报道:10月25日Science发表了CRISPR技术先驱张锋研究组的最新成果:RNA editing with CRISPR-Cas13,咋一看这个标题还以为是张锋一稿多投(:P),因为实在是与本月初他们研究组发表在Nature的论文标题太像了(Nature论文:RNA targeting with CRISPR–Cas13)。这两篇论文聚焦的都是CRISPR的另外一大技术应用:RNA靶向编辑。

将RNA编辑酶融合到靶向RNA的Cas蛋白中,这样研究人员就能编辑人体细胞中特定的核苷酸了,张锋研究组将这种方法称为RNA Editing for Programmable A-to-I replacement (REPAIR), 这一技术不仅可以用作研究工具,而且可作为由突变引发的疾病的临时治疗方法。

来自哈佛大学的化学生物学家David Liu(未参与该项研究)点评道:“这项工作是一个非常有成效,令人令人印象深刻的研究成果,它提出了编辑RNA转录本。从而以编程的方式改变其编码的潜力可能性。对于通过靶标RNA序列的暂时变化达到最好解决问题的应用,这种方法具有很强的潜力”。在同期Nature杂志上,Liu也报道了一种类似的编辑DNA特异性核苷酸的方法(见:)。

靶向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。

在此基础上,张锋研究组在10月5日Nature杂志上又公布一项成果,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。

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。他们分离得到了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。

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。


RNA编辑

虽然人体很多疾病是来自于DNA,但是由于基因承载着生命最根源的信息,因此直接对DNA进行编辑会出现安全和伦理上的问题。而RNA编辑却不同,通过编辑RNA能暂时性的纠正DNA翻译的信息,让蛋白质接收到正确的信息,达到治疗的效果,这可能是更加有效的一种临床应用方式。

在这项最新研究中,张锋研究组的一名成员Omar Abudayyeh就对此产生了兴趣,他提出了问题:“我们还能利用Cas13酶做什么?”他的一个想法是通过蛋白质的RNA靶向能力来召集RNA编辑酶,从而能在特定部位进行确定的核苷酸编辑。

RNA编辑是转录进程中的一种形式,其中涉及核苷酸替换的酶调控。最主要的RNA编辑是A(adenosine)-to-I(Inosine) 的修饰,这个过程受到蛋白酶ADAR(adenosine deaminases that act on RNA )的催化调控。

张锋研究组构建了一种新型融合蛋白,即将ADAR的催化结构域和Cas13b的一个催化内含子拼接在一起,这一蛋白具有靶向人体细胞中任何靶标RNA的能力,张锋等人将其称为REPAIR。REPAIR具有安全性和灵活性两大特征,无需修改基因组就能修复突变,而且RNA会自动降解,因此对它的修改或是可逆的。

罗切斯特大学的RNA生物学家Mitchell O'Connell(未参与该项研究)表示,“在治疗上,对于某些遗传疾病,编辑基因组,永久性地固定一种突变也许更合适,但对于需要基因表达短期变化的疾病来说,RNA编辑可能更有效。”

在此基础上,研究人员还对REPAIR进行了优化,令其在转录组中可检测到的脱靶次数从1.8万次降至20次。这一编辑器对靶标RNA的编辑效率为20%-40%,最高甚至可以达到51%。

为了验证REPAIR的作用,研究人员将其应用于恢复两种疾病相关的G-A突变,一种是糖尿病,另一种是Fanconi贫血症。他们将REPAIR引入到细胞中,结果证实REPAIR可以在RNA水平上修复致病突变。

目前研究人员还在进一步探索这一工具的使用,来自美国国家生物技术信息中心的计算生物学家Eugene Koonin(未参与该项研究)表示,“这篇文章只是一个开端,”Cas13b可能可以融合到多种编辑酶上,这些酶也许能用于一系列不同的序列变化。

(生物通:张迪)

原文标题:

RNA editing with CRISPR-Cas13

RNA targeting with CRISPR–Cas13

 

 

 

 

 

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