CRISPR先驅Nature解析新一代CRISPR系統

　　在4月20日《自然》（Nature）雜志上的一篇新研究論文中，科學家們描繪了一種新型細菌CRISPR-Cpf1系統的分子細節，這為實現其他的基因編輯應用，如平行靶向多個基因打開了可能的途徑。

　　領導這一研究的任職于德國馬克思普朗克感染生物學研究所和瑞典于默奧大學的Emmanuelle Charpentier教授。Charpentier與加州大學的Jennifer Doudna，哈佛-麻省理工大學Broad研究所的張鋒博士一致被科學界公認為是CRISPR/Cas9技術開發中的重量級人物。

　　CRISPR-Cas是細菌免疫系統的一個組成部分，被用來抵抗病毒感染。在CRISPR-Cas9系統中，Cas9會在CRISPR RNA (crRNA)/tracrRNA復合物指定的位點切割病毒DNA。由此消滅病原體。

　　2011年，Charpentier和同事們描述了這一系統是由兩種RNAs形成的雙鏈RNA（tracrRNA和前體crRNA）和Cas9蛋白（從前叫做Csn1)構成，tracrRNA可加工前體pre-crRNA，使其成為成熟的crRNA。這項研究發布在Nature雜志上。2012年，Charpentier和同事們在Science雜志上發表論文證實，tracrRNA和crRNA通過堿基配對結合形成tracrRNA:crRNA二元復合體，或是將tracrRNA:crRNA二元復合體改造為融合的單向導RNA，都可以特異地引導Cas9酶到匹配的靶DNA序列處（Science：可編程的DNA剪刀）。

　　自那以后，CRISPR-Cas9如暴風雨般席卷許多的實驗室。科學家們和臨床醫生們都對它寄予了極大的希望：臨床醫生希望能夠利用這些酶剪刀來治愈一些嚴重的遺傳疾病。

　　在2015年發表于Cell雜志上的一項研究中，哈佛-麻省理工Broad研究所的張鋒及其同事們報告稱發現了一種不同的CRISPR系統：CRISPR–Cpf1，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（張鋒Cell：新一代CRISPR基因組編輯系統 ）。

　　在這篇最新的Nature文章中，研究人員發現了CRISPR相關蛋白Cpf1具有一個以往在這一酶家族中從未觀察到的特征：Cpf1對RNA和DNA顯示雙重切割活性。不同于CRISPR-Cas9，Cpf1能夠自身加工前體crRNA，隨后利用加工的RNA特異性地靶向和切割DNA。不需要宿主來源的核糖核酸酶（Rnase）及tracrRNA使得它成為了迄今為止已知最簡單的CRISPR免疫系統。將兩個獨立的催化部分合二為一，為實現序列特異性的基因工程操作，尤其重要的是簡化一次靶向多個位點，及所謂的多路復用（multiplexing）程序開辟了可能的新途徑。

　　Charpentier說：“盡管CRISPR-Cas9的操作聽起來簡單，其相關機制細節卻非常的精細。”在crRNA分子向Cas9顯示切割位點之前，它需要RNA切割蛋白作用才能轉變為最終形式：功能性的crRNA。其中一種RNA切割蛋白就是RNase III。2011年，Charpentier發現RNase III與tracrRNA一起參與了crRNA的成熟過程。

　　研究人員現在發現，一些細菌的免疫防御機制在結構上比CRISPR-Cas9要簡單。除了Cas9，這些細菌利用了Cpf1來切割外源DNA。研究結果顯示Cpf1可以切割RNA和DNA。Cpf1首先除去crRNA的一些組成部分，由此幫助crRNA成熟。它不需要其他RNase III一類的酶。成熟的crRNA分子隨后將Cpf1引導至DNA靶序列上。

　　因此Cpf1具有雙重功能：它賦予了crRNA功能，并隨后以一種序列特異性方式切割了DNA。此外，不同于Cas9，Cpf1并不依賴于tracrRNA分子的幫助到達它的目的地。因此，它在結構上比CRISPR-Cas9要簡單。“CRISPR-Cpf1是一種即插即用的系統，且不需要其他的元件。相比之下，CRISPR-Cas9在自然環境中需要助手來激活這一系統，”Charpentier說。

　　此外，在4月20日的Nature雜志上，來自哈爾濱工業大學、清華大學的研究人員報告稱，他們獲得了Cpf1/CRISPR RNA復合物的晶體結構。領導這一研究的是哈爾濱工業大學生命科學與技術學院的黃志偉教授。這篇文章揭示出了crRNA的識別機制，提供了crRNA引導LbCpf1底物結合的一些新見解，為設計改造LbCpf1提高基因編輯的效率和特異性建立了一個框架（哈爾濱工業大學Nature發表CRISPR研究重要成果 ）。

　　4月21日，張鋒領導Broad研究所、東京大學的研究人員，在Cell雜志上揭示出了Cpf1/向導RNA/靶DNA復合物的晶體結構。這些研究結果提供了有關RNA引導Cpf1切割DNA機制的一些新見解，為合理設計建造CRISPR-Cpf1工具箱建立了一個框架（張鋒Cell發表CRISPR研究新成果 ）。