張鋒Cell：新一代CRISPR基因組編輯系統

日期：2015-09-29 10:15:52

在發表于《細胞》（Cell）雜志上的一項研究中，哈佛-麻省理工Broad研究的張鋒（Feng Zhang）及其同事們報告稱發現了一種不同的CRISPR系統，其有潛力實現更簡單、更精確的基因組工程操作。他們描述了這一新系統一些出乎意外的生物學特征，證實可以操控它來編輯人類細胞基因組。

人類基因組計劃的主要領導者之一、Broad研究所所長Eric Lander說：“這一系統有著巨大的潛力推動遺傳工程。這篇論文不僅揭示了從前未知的一種CRISPR系統的功能，還證實了可以利用Cpf1完成人類基因組編輯，其具有一些非凡和強大的特性。這一Cpf1系統代表了新一代的基因編輯技術。”

CRISPR序列是在1987年第一次被描述出來，在2010年和2011年它們的自然生物學功能初步被確定。2013年張鋒及哈佛醫學院的George Church各自第一次報道了，將CRISPR-Cas9系統應用于哺乳動物基因組編輯。

在這篇新文章中，張鋒和合作者們在不同類型的細菌中搜尋了成百上千種的CRISPR系統，尋找具有一些有用的特性，可改造用于人類細胞的酶。來自氨基酸球菌屬（Acidaminococcus）和毛螺菌科（Lachnospiraceae）的Cpf1酶成為了兩個有前景的候選物，張鋒和同事們隨后證實了其可以靶向人類細胞的基因組位點。

張鋒說：“發現了可以利用來推動研究和人類健康的、完全不同的CRISPR酶，我們感到激動萬分。”

這一新發現的Cpf1系統有幾個重要的方面不同于以往描述的Cas9，對于研究和治療及商業和知識產權均具有重要的意義：

首先：在它的自然形態下，DNA切割酶Cas9與兩條小RNAs形成了一種復合物，兩條RNAs均是獲得切割活性的必要條件。Cpf1系統更簡單一些，它只需要一條RNA。Cpf1酶也比標準SpCas9要小，使得它更易于傳送至細胞和組織內。

第二：且有可能最重要的是，Cpf1以一種不同于Cas9的方式切割DNA。當Cas9復合物切割DNA時，它切割的是同一位點的兩條鏈，留下的“平端”（blunt ends）在重新連接時往往會發生突變。采用Cpf1復合物生成的兩條鏈切口是偏移的，在裸露端留下了短懸端（overhang）。這預計有助于精確插入，使得研究人員能夠更有效及精確地整合一段DNA。

第三：Cpf1切口遠離識別位點，這意味著即便在切割位點靶基因突變，仍然可以進行再度切割，提供了多次機會來校正編輯。

第四：Cpf1系統為選擇靶位點提供了新的靈活性。像Cas9一樣，Cpf1復合物必須首選附著PAM,短序列，選擇的靶點靠近自然存在的PAM序列。Cpf1系統識別的PAM序列與Cas9截然不同。這在靶向某些基因組如瘧原蟲及人類基因組時可能是個優勢。

Broad研究所成員Levi Garraway（未參與該研究）說：“Cpf1這些意外的特性及更精確的編輯為各種應用，包括癌癥研究打開了大門。”

張鋒、Broad研究所和麻省理工學院打算廣泛分享這一Cpf1系統。與較早期的Cas9工具一樣，這些研究團體將通過張鋒實驗室質粒共享網站Addgene，免費提供這一技術用于學術研究。通過Addgene張鋒實驗室已與全球各地的研究者共享Cas9試劑達23,000多次以推動加速研究。張鋒實驗室還提供了免費的在線工具和資源，研究人員可通過網站http://www.genome-engineering.org獲取。

Broad研究所和麻省理工學院計劃提供非專屬授權推動工具商業化，使得服務提供商能夠將這種酶添加到他們的CRISPR管道和服務中，進一步確保提供這種新酶用于研究中。這些研究團體還計劃提供授權，以最好地支持快速及安全地開發合適及重要的臨床應用。張鋒說：“我們正致力實現可廣泛獲取CRISPR-Cpf1技術。”

“我們的目標是開發出一些可以加速研究，最終促成一些新治療應用的工具，我們看到將來會有更多，甚至超越Cpf1和Cas9的成果，或許可以改變其他一些酶的用途來進一步推動基因組編輯。”