▎药明康德内容团队编辑
著名学者张锋教授是基因编辑领域的先驱之一。与同事和合作伙伴一起，他的研究团队已经开发出多种基于CRISPR系统的基因编辑工具。不过现有的CRISPR工具箱可能只是冰山的一角。近日，他的研究团队在《科学》杂志上连续发文，发现了具有基因编辑能力的一类 ，以及全新的 。
近日在接受Nature Reviews Drug Discovery的访问时，张锋教授表示，这些发现提醒了我们大自然中还可能存在大量未被发现和研究的可编程系统。挖掘这一“宝库”有望开发出更多的研究工具、药物递送方式和治疗模式。
为改变基因组增添更多工具
张锋教授表示，CRISPR/Cas9基因编辑系统最重要的特征之一是它具有可编程性（reprogrammable）。只要给它一个指导RNA，就能够与特定的DNA序列结合来行使后续功能，例如启动或者关闭基因，对DNA编辑进行编辑等等。
然而，Cas9酶的进化源于细菌的防御系统。它在识别和切断DNA方面的能力得到优化，但Cas9酶本身尺寸很大。如果只想利用Cas9的可编程性，可能不需要Cas9其它的多余部分。
基于这一策略，张锋教授的团队在大自然中寻找与Cas9核酸酶功能类似的蛋白。他们在细菌中发现了一类称为IscB的蛋白，这些蛋白具备核酸酶的活性，而且也能够依靠RNA指导对特定双链DNA进行切割。
张锋教授表示，这些蛋白由大约400个氨基酸构成，与Cas9（800-1200个氨基酸）相比个头小很多。个头小显然让它更容易递送到体内。同样重要的是，这些蛋白为科学家们提供了一个非常好的起点，它保留了可编程特征，而且没有其它多余的结构，让科学家们可以通过蛋白工程改造，在这类蛋白上添加更多的新功能。
“已有的工具还不能让我们进行大型基因组改造，比如精准切除或插入大段DNA，重写一整段染色体，或者改变染色体的构象。而基于对IscB蛋白改造，我们可能创建这些新的能力。”他说。
▲张锋教授在访谈中分享了他对基因编辑未来的洞见（图片来源：张锋教授实验室主页）
张锋教授认为，基因疗法本质上需要改变DNA或者RNA的工具，和将这些工具安全有效地递送到正确细胞中的递送系统，两者缺一不可。目前的全身性递送系统通常会将“货物”先递送到肝脏，如果最终目标是靶向其它组织，目前的疗法可能先会在肝脏中被吸收，导致出现肝脏毒性。因此需要开发靶向其它组织或者能够局部递送的基因疗法递送系统。
开发创新递送技术
他的课题组在递送技术方面的一个重点研发方向是寻找人体生成的蛋白。这些蛋白能够包装核酸并且将它们送到其它细胞。我们的祖先在进化的过程中，获得了和病毒类似的基因元件，它们可以生成和病毒类似的蛋白结构，行使递送核酸的功能。
基于这一策略，他的课题组近日在《科学》杂志上发表的研究找到了一种称为PEG10的蛋白。它能够包装mRNA并且将它们递送到其它细胞中。“我对这个研究方向非常兴奋。”张锋教授说。使用人类蛋白递送系统理论上可以显著降低人体的免疫反应，提供一种更安全，并且可以重复给药的递送方案。与目前常用的AAV载体相比，它还可能递送更大型的基因。
而且在PEG10以外，他的团队还发现多个人类细胞分泌的其它蛋白，它们也具有和病毒类似的结构，由身体的不同组织生成。这意味着它们可能用于向不同组织类型递送核酸，治疗多种疾病。
“有趣的是，人类身体中和这个地球上还有很多功能尚未澄清的‘神秘’蛋白。它们让我们着迷。我的实验室的大部分工作都集中于理解它们的作用。”张锋博士说。
那如何发现这些“神秘”蛋白的功能？
构建模块化的可编程工具箱
他的课题组经常问的一个问题是：“大自然中具有可编程能力的系统有什么特征？”比如，RNA指导的CRISPR系统具有可编程性，这是因为给它一个新的RNA就可以让它与其它DNA序列结合。蛋白也具有可编程性，换掉一个蛋白域就能够改变它的功能。可以说，任何具有模块性的系统，就具有可编程性！
基于这一理念生成的一个进化假说就是，在细菌或者真核生物的序列中，具有模块性质的特征就意味着可编程性。这可能是基因上突变频繁的区域（比如编码单克隆抗体的基因），或者是与RNA片段共同进化的蛋白（比如Cas核酸酶）。这一策略让他的团队可以开始系统性的研究。
而对这些模块化系统的研究反过来又可以促进可编程工具的开发。以上面提到的IscB蛋白为例。最初的研究发现这些蛋白与称为ωRNA的RNA片段共同表达。这让张锋教授的团队可以对RNA序列进行研究，发现它的哪些部分是保守不变的，而哪些部分高度变化。这些洞见帮助研究团队进一步设计指导RNA序列，生成具有特异性的基因编辑工具。这是一个不断迭代的过程。
CRISPR/Cas9基因编辑系统问世以来，在不到10年的时间里迅猛发展。今年，Intellia Therapeutics公司在人类体内基因编辑方面也获得了 。新的可编程核酸酶和递送系统的发现，给研发人员提供了更多开发创新疗法的工具。张锋教授在访谈中表示，他相信新的基因编辑工具有望解决现有CRISPR系统尚未解决的问题，比如同时对多个基因进行编辑，治疗因为多基因互动导致的疾病。我们期待在科研人员的不断努力下，基因编辑的潜力早日成为现实。
题图来源：123RF
参考资料：
[1] CRISPR technologies are going to need a bigger toolbox. Nature Reviews Drug Discovery, doi: https://doi.org/10.1038/d41573-021-00177-6
[2] Han Altae-Tran et al., (2021) The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases. Science. Doi: 10.1126/science.abj6856
[3] Michael Segel, et al., (2021), Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery, Science, DOI: 10.1126/science.abg6155
免责声明：药明康德内容团队专注介绍全球生物医药健康研究进展。本文仅作信息交流之目的，文中观点不代表药明康德立场，亦不代表药明康德支持或反对文中观点。本文也不是治疗方案推荐。如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。