Nature重磅丨张锋团队首次在真核生物中发现CRISPR样系统，为基因编辑再添新工具
CRISPR-Cas系统是一类古老的免疫系统，仅存在于原核生物（包括细菌和古菌）中，用于抵御外源遗传元件（如噬菌体）的入侵。利用对该系统的研究，科学家开发出了CRISPR-Cas9等一系列基因编辑工具，这些工具通过RNA引导的Cas9核酸酶对DNA进行切割，从而实现基因组编辑。
近年来，科学家们一直在探索真核生物中是否存在与CRISPR系统类似的机制。2023年6月28日，张锋团队的研究在Nature期刊上发表题为“Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease”的研究论文，报道了在真核生物中发现的第一个RNA引导的DNA切割酶——Fanzor，而且该新型CRISPR样系统还可以被重编程用于对人类基因组的编辑。
与CRISPR-Cas系统相比，Fanzor系统更为紧凑，能够更轻松地递送到细胞和组织中，并且没有旁系切割活性，从而实现更为精准的基因组编辑。这项研究表明，RNA引导的DNA切割机制可能在所有生物界中普遍存在，为生物学研究和治疗提供了新的可能性。
张锋教授指出，CRISPR-Cas基因编辑系统因其强大的功能而被广泛使用，这是因为他们可以通过重新编程来靶向基因组中的不同位点。然而，本研究发现的新型基因编辑系统代表了另一种精确改变人类细胞的方式，并为现有的基因组编辑工具提供了一个补充。
张锋实验室的主要目标是利用能够靶向特定基因和过程的系统来调控人类细胞，开发基因药物。在这方面，张锋教授表示，几年前，他们就开始思考，除了CRISPR，还有哪些系统可以被利用？自然界中是否还存在其他可编程RNA系统？
去年，张锋团队在Science期刊上发表了一篇研究论文，发现了一类广泛存在于各种生物中的转座子编码的RNA引导核酸酶，他们将其命名为OMEGA系统，包括IscB、IsrB和Tnp8。这个系统被认为是CRISPR-Cas系统的祖先，是另一种广泛存在的RNA可编程系统。
OMEGA系统使用RNA来指导切割DNA双链，即ωRNA。相比于Cas9，OMEGA系统的核酸酶相对较小，仅为Cas9的约30%，这意味着它们可能更易于递送到细胞中。此项研究的发现也表明，还有其他可编程的核酸酶等待着被发现和进一步开发。
据悉，Fanzor是一种由转座子编码的真核TnpB-IS200/IS605样蛋白，而来自真核生物的Fanzor蛋白与来自原核生物的Tnp8具有远程同源性。这表明，Fanzor也可能使用RNA引导机制来靶向和切割DNA。
在最新的研究中，研究团队从真菌、藻类、变形虫和北圆蛤（一种蛤蜊）中分离出Fanzor蛋白，并对其进行了RNA引导系统的研究。生化表征表明，Fanzor是一种DNA内切酶，使用ωRNA来精确识别和切割基因组中的特定位点。这是首次在真核生物中发现这种机制，包括动物在内。这项研究的成果为基因编辑提供了新的思路，也为生物学研究和治疗提供了新的可能性。
与CRISPR系统的核酸酶不同的是，Fanzor酶被编码在真核生物基因组的转座子中，经过系统发育分析，Fanzor基因被认为是通过水平基因转移从细菌转移到真核生物中。
为了探索Fanzor作为基因组编辑工具的潜力，研究团队证明了它可以在人类细胞的目标基因组位点上产生DNA插入和缺失。他们发现，初期Fanzor系统在剪切DNA方面的效率低于CRISPR-Cas系统，但通过系统工程改造，在Fanzor蛋白中引入一系列突变，可使其活性提高10倍。
除此之外，与一些CRISPR系统及OMEGA系统中的TnpB不同，研究团队发现，真菌来源的Fanzor蛋白不具备旁系切割活性，也就是说，在RNA引导下，Fanzor不会切割目标位点附近的DNA，这意味着，相较于CRISPR-Cas系统，Fanzor可以实现更加精准的基因组编辑。
在研究中，团队还分析了Fanzor-ωRNA复合物的分子结构，并揭示了Fanzor如何与DNA结合并切割DNA。结果显示，Fanzor与原核生物中对应的CRISPR-Cas12蛋白的结构相似，但ωRNA与Fanzor催化结构域的相互作用更广泛，这表明ωRNA可能在催化反应中发挥重要作用。这些发现为进一步设计和优化Fanzor提供了新的思路和方法，以提高其在基因组编辑方面的效率和精度。
图3.Fanzor蛋白与ωRNA复合物及其靶DNA的冷冻电镜结构，Fanzor蛋白不同结构域用灰色、黄色、浅蓝色和粉红色表示，
ωRNA为紫色，DNA双线中的目标链为红色，非目标链为蓝色（来源于生物世界）
类似于CRISPR基因编辑技术，Fanzor系统也具备可编程重编程的特性，能够针对目标基因组位点进行编辑。
根据张锋教授的研究，Fanzor系统有望成为一种强大的基因组编辑工具，可广泛应用于科学研究和疾病治疗。此外，RNA引导的内切酶如Fanzors的发现也进一步增加了OMEGA系统的多样性，这表明自然界拥有着广泛的RNA可编程系统，我们可以继续深入研究，寻找更多的RNA系统以推进基因编辑技术的发展。
文章参考于生物世界
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