新魔剪“Cas13a”可编辑RNA

2016年6月，Broad研究所的张锋获得了一项重要成果。在一篇Science论文中，他带领的团队首次描述了一种RNA靶向的CRISPR酶——C2c2（现在被称为 Cas13a）。与CRISPR/Cas9切割DNA的活性不同，CRISPR/Cas13a能够用于切割细菌细胞中特定的RNA序列。

这篇论文发表后，CRISPR/Cas13a成了很多科研团队的“新宠”。仅仅3个月，CRISPR先驱、加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授就在Nature杂志上发表一篇论文，证实CRISPR/Cas13a能够用于RNA检测。

今年4月，张锋团队又发表一篇Science论文。研究描述了CRISPR/Cas13a如何“变身”高度灵敏的“探测器”：能够指示出目标RNA或DNA分子中单分子的存在。这一新工具被研究者们授予了SHERLOCK（神探夏洛克）的称号。他们认为，有一天，这一技术可能被用于应对病毒和细菌爆发、监测抗生素耐药性以及检测癌症。这些研究进展有力证实了CRISPR/Cas13a多种不同方向的应用前景。然而，正如最初科学家们在发现CRISPR/Cas9的基因编辑功能后，第一时间想证实其能否用于哺乳动物细胞一样，张锋团队一直在探索CRISPR/Cas13a能否在这类细胞中发挥作用。

Cas13a bound to and cleaving single-stranded RNA.STEPHEN DIXON

10月4日，张锋等最新发表在Nature杂志的一篇论文首次明确回答的了这一问题。研究证实，CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中“工作”，即，特异性地下调内源性和报告RNAs的水平。

研究中，科学家们测试了来自15种不同微生物的Cas13酶，最终找到了最“符合心意”的一个——来自Leptotrichia wadei的LwaCas13a。利用LwaCas13a使得研究者们能够以比当前的RNA敲低工具（RNA干扰，RNAi）更强的特异性在目标RNA上切割特定的位点。研究人员称，尽管RNAi是一种有用的工具，但它经常导致研究人员不想要的“脱靶效应”（即，没有作用于预想的位置），而LwaCas13a显著降低了这种脱靶效应。

张锋团队制作了一个双质粒RNA靶向CRISPR系统:

a.表达导向RNA（guide RNA）质粒;

b.表达Cas13a基因的质粒；

研究结果显示，CRISPR-Cas13a有效地编辑了转录自一个报告质粒以及人类细胞中3个内源性基因的RNA。

此外，该研究中，张锋团队还找到了一种所谓的Cas13“死亡变体”。这种Cas13变体能够结合目标RNA，但不能发挥切割作用。通过结合明亮的荧光标记，该版本的Cas13能够被用于追踪目标RNA的“轨迹”。

Cas13a molecule PDB ID 5WTJ, RNA molecule PDB ID 5LYU; composition by Lauren Solomon

值得一提的是，在这项研究中，科学家们还有一个意外的收获。此前，张锋团队曾证实，在细菌中，在切割了目标RNA后，Cas13a还会继续切割非目标RNA。那么，在哺乳动物细胞中，Cas13a是否也是同样如此呢？

利用RNA测序，研究人员证实，不同于在细菌中的作用方式，在人类细胞系中，Cas13a只会靶向由导向RNA指定的RNA，从而让细胞内其它的RNA序列保持完整。这是非常令人惊讶以及令人困惑的结果。为什么在人类细胞中，Cas13a非特异性的RNA切割功能没有“生效”呢？这一问题还需进一步解答。

该研究的共同第一作者、张锋的研究生Omar Abudayyeh说：“尽管我们已经有了很好的工具来删除基因，但这些工具仍然有很多限制，使得研究基因的功能非常困难。Cas13能够让我们降低基因表达的水平，而不是完全消除这些基因。这一改变对于研究基因，以及开发纠正基因疾病更低毒的疗法是非常有帮助的。”

Broad研究所官网的报道称，证实CRISPR-Cas13a能够在哺乳动物细胞中安全、有效地“工作”是利用该系统研究人类生物学和疾病的非常关键的一步。CRISPR-Cas13a为学习细胞功能，以及设计更安全的疗法带来了新的机会。

参考文献：

【1】A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity

【2】C2c2 is a single-componentprogrammable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector

【3】Two distinct RNase activitiesof CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection

【4】Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2

【5】RNA targeting with CRISPR–Cas13

【6】New CRISPR tool targets RNA in mammalian cells

【7】CRISPR System Targets RNA in MammalianCells