研究人员在动物身上发现了新的类似CRISPR的系统，可以编辑人类基因组

诸平

A Cryo-EM map of a Fanzor protein (gray, yellow, light blue, and pink) in complex with ωRNA (purple) and its target DNA (red). Non-target DNA strand in blue. Credit: Zhang lab, Broad Institute of MIT and Harvard/McGovern Institute for Brain Research at MIT.

科学网对于“Fanzor是一种真核生物可编程的RNA引导的内切酶”{Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06356-2）}已有简要介绍，但过于简要，不便深入了解。本文根据美国物理学家组织网（phys.org）2023年6月28日的相关报道，对其相关内容编译如下，仅供参考。

据美国麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）提供的消息，该机构是研究人员在动物身上发现了一种新的类似CRISPR的系统，可以编辑人类基因组（Researchers uncover new CRISPR-like system in animals that can edit the human genome）。

上述来自麻省理工学院-哈佛大学博德研究所/麦格文大脑研究所张锋博士实验室（Feng Zhang lab, Broad Institute of MIT and Harvard/McGovern Institute for Brain Research at MIT.）的照片是Fanzor蛋白（灰色、黄色、浅蓝色和粉色）与ωRNA（紫色）及其靶DNA（红色）的复合体的冷冻电镜图。蓝色为非靶标DNA链。

由麻省理工学院-哈佛大学博德研究所以及麻省理工学院的麦戈文大脑研究所的张锋（Feng Zhang音译）领导的一组研究人员在真核生物（eukaryotes）包括真菌（fungi）、植物（plants）和动物（animals）中发现了第一个可编程RNA引导系统（programmable RNA-guided system）。相关研究结果于2023年6月28日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表发表——Makoto Saito, Peiyu Xu, Guilhem Faure, Samantha Maguire, Soumya Kannan, Han Altae-Tran, Sam Vo, AnAn Desimone, Rhiannon K. Macrae, Feng Zhang. Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06356-2. Published: 28 June 2023.  https://doi.org/10.1038/s41586-023-06356-2

参与此项研究的除了来自美国麻省理工学院-哈佛大学博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, MA, USA）和麻省理工学院的麦戈文大脑研究所（McGovern Institute for Brain Research at MIT, Cambridge, MA, USA）的研究人员之外，还有来自MIT脑与认知科学系(Department of Brain and Cognitive Science, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA)、MIT生物系统工程系（Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA）、美国霍华德休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute, Cambridge, MA, USA）的研究人员。

在此项研究中，研究小组描述了该系统是如何基于一种叫做Fanzor的蛋白质（protein called Fanzor）的。他们发现Fanzor蛋白质（Fanzor proteins）利用RNA作为精确定位DNA的向导，并且Fanzor蛋白质可以被重新编程来编辑人类细胞的基因组。与CRISPR/Cas系统相比，紧凑型Fanzor系统具有更容易将其作为治疗剂输送到细胞和组织的潜力，进一步改进其靶向效率将使其成为人类基因组编辑（human genome editing）的宝贵新技术。

CRISPR/Cas首先在原核生物（prokaryotes）即细菌和其他缺乏细胞核的单细胞生物体中发现，包括张锋教授的实验室在内的科学家们，一直在想真核生物（eukaryotes）中是否存在类似的系统。这项新的研究表明，RNA引导的DNA切割机制存在于生命的所有领域。

该研究的资深作者、博德研究所的核心成员、麻省理工学院麦戈文大脑研究所的研究员、麻省理工学院的詹姆斯和帕特丽夏·波伊特拉斯（James and Patricia Poitras）神经科学教授以及霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）的研究员张锋说：“基于CRISPR的系统被广泛使用并且功能强大，因为它们可以很容易地重新编程以定位基因组中的不同位置。这个新系统是对人类细胞进行精确改变的另一种方法，它补充了我们现有的基因组编辑工具。”

探索生命的领域（Searching the domains of life）

张锋教授实验室的一个主要目标是利用能通过特定基因（specific genes）和过程调节人体细胞的系统开发基因药物。“几年前，我们开始问：‘除了CRISPR，还有什么，自然界中是否存在其他RNA编程系统？’”张锋说。

两年前，张锋教授的实验室成员在原核生物中发现了一类名为OMEGA的RNA可编程系统，这些系统通常与细菌基因组（bacterial genomes）中的转座子（transposable elements）即“跳跃基因”（"jumping genes"）相连，很可能导致了CRISPR/Cas系统。这项研究还强调了原核生物OMEGA系统和真核生物中Fanzor蛋白之间的相似性，这表明Fanzor酶（Fanzor enzymes）可能也使用RNA引导的机制来靶向和切割DNA。

在新的研究中，研究人员继续研究RNA引导的系统，从真菌、藻类和阿米巴物种（amoeba species）中分离出Fanzors，以及一种被称为北夸赫蛤（Northern Quahog）的蛤。张锋实验室的共同第一作者齐藤诚（Makoto Saito）领导了Fanzor蛋白（Fanzor proteins）的生化鉴定，他指出它们是DNA切割核酸内切酶（DNA-cutting endonuclease），利用附近的非编码RNAs（即ωRNAs）靶向基因组中的特定位点。这是首次在真核生物，例如动物身上发现这种机制。

与CRISPR蛋白质（CRISPR proteins）不同，Fanzor酶编码在真核生物基因组中的转座元件（transposable elements）中，该团队的系统发育分析表明，Fanzor基因通过所谓的水平基因转移从细菌迁移到了真核生物。

“这些欧米茄系统（OMEGA systems）更早于CRISPR，它们是地球上最丰富的蛋白质之一，因此它们能够在原核生物和真核生物之间来回穿梭是有道理的。”齐藤诚说。

为了探索Fanzor作为基因组编辑工具的潜力，研究人员证明了它可以在人体细胞内的目标基因组位点产生插入和缺失。

研究人员发现，Fanzor系统在切割DNA方面的效率低于CRISPR/Cas系统，但通过系统工程，他们将突变组合引入此蛋白质，使其活性提高了10倍。此外，与某些CRISPR系统和欧米茄蛋白TnpB不同，研究小组发现真菌衍生的Fanzor蛋白并没有表现出“旁路活性”（"collateral activity"），即RNA引导的酶切割其DNA靶标，并降解附近的DNA或RNA。研究结果表明Fanzors有可能被开发为高效的基因组编辑工具。

共同第一作者之一的徐沛宇（Peiyu Xu音译）领导了此项研究的一部分，分析了Fanzor/ωRNA复合体的分子结构，并说明了它是如何附着在DNA上进行切割的。Fanzor与原核生物的CRISPR-Cas12蛋白具有相似的结构，但ωRNA与Fanzor催化结构域之间的相互作用更为广泛，这表明ωRNA可能在催化反应中发挥作用。“我们对这些结构洞察力感到兴奋，它们帮助我们进一步设计和优化Fanzor，以提高基因组编辑的效率和准确性，”徐沛宇说。

像基于CRISPR的系统一样，Fanzor系统可以很容易地重新编程，以定位特定的基因组位点。张锋说，有朝一日，它将发展成为一种强大的新基因组编辑技术，用于研究和治疗。像Fanzors这样的RNA引导的核酸内切酶的丰富程度进一步增加了生命界已知的 欧米茄系统的数量，这表明还有更多的欧米茄系统有待发现。

张锋说：“大自然令人叹为观止。存在的多样性如此之多。可能还有更多的RNA可编程系统存在，我们正在继续探索，希望能发现更多。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Study reveals the 3D structure of a protein involved in genome editing

相关报道——小柯机器人的简要介绍：

美国麻省理工学院张锋研究小组发现，Fanzor是一种真核生物可编程的RNA引导型内切酶。这一研究成果于2023年6月28日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

研究人员表示，RNA引导系统利用引导RNA和靶标核酸序列之间的互补性来识别遗传元件，在原核生物和真核生物的生物过程中都发挥着核心作用。例如，原核生物CRISPR-Cas系统为细菌和古细菌提供了对外来遗传元素的适应性免疫。Cas效应器，如Cas9和Cas12，进行引导RNA依赖性DNA切割。尽管到目前为止已经研究了一些真核生物的RNA引导系统，如RNA干扰和核糖体RNA修饰，但仍不清楚真核生物是否有RNA引导的内切酶。最近，一个新的原核生物RNA引导系统（称为OMEGA）被报道。OMEGA效应物TnpB是Cas12的推定祖先，具有RNA引导的内切酶活性。TnpB也可能是真核生物转座子编码的Fanzor（Fz）蛋白的祖先，这提出了真核生物也配备了CRISPR-Cas/OMEGA类似的可编程RNA引导型内切酶的可能性。

研究人员报告了Fz的生化特性，表明它是一种RNA引导的DNA内切酶。研究人员还表明，Fz可以被重新编程用于人类基因组工程的应用。最后，研究人员用冷冻电镜在2.7埃分辨率下解析了Spizellomyces punctatus Fz（SpuFz）的结构，并揭示了Fz、TnpB和Cas12之间核心区域的保守性，尽管同源的RNA结构不同。这些研究结果表明，Fz是一个真核生物的OMEGA系统，并表明RNA引导型内切酶存在于生命的三个域中。

Abstract

RNA-guided systems, which employ complementarity between a guide RNA and target nucleic acid sequences for recognition of genetic elements, play a central role in biological processes in both prokaryotes and eukaryotes. For example, the prokaryotic CRISPR-Cas systems provide adaptive immunity for bacteria and archaea against foreign genetic elements. Cas effectors, like Cas9 and Cas12, perform guide RNA-dependent DNA cleavage. Although a few eukaryotic RNA-guided systems have been studied so far, such as RNA interference and ribosomal RNA modification, it remains unclear whether eukaryotes have RNA-guided endonucleases. Recently, a new class of prokaryotic RNA-guided system (termed OMEGA) was reported. The OMEGA effector TnpB is the putative ancestor of Cas12 and has RNA-guided endonuclease activity. TnpB may also be the ancestor of the eukaryotic transposon-encoded Fanzor (Fz) proteins, raising the possibility that eukaryotes are also equipped with CRISPR-Cas/OMEGA-like programmable RNA-guided endonucleases. Here we report the biochemical characterization of Fz, showing that it is an RNA-guided DNA endonuclease. We also show that Fz can be reprogrammed for human genome engineering applications. Finally, we resolved the structure of Spizellomyces punctatus Fz (SpuFz) at 2.7Å using cryogenic-electron microscopy, revealing the conservation of the core regions among Fz, TnpB and Cas12, despite diverse cognate RNA structures. Our results show that Fz is a eukaryotic OMEGA system, demonstrating that RNA-guided endonucleases are present in all three domains of life.