由包括首次将CRISPR-Cas9系统用于哺乳动物基因组编辑的科学家在内的一个团队，现已鉴定出一种不同的CRISPR系统，它有望实现更简单、更精准的基因组工程。
在一项 研究 中，今天发表于 《Cell》上，张锋及其同事与麻省理工学院和哈佛大学博德研究所以及麻省理工学院麦戈文脑科学研究所的同事，与合著者美国国立卫生研究院的尤金·库宁、博德研究所及麻省理工学院生物学系的阿维夫·雷格夫，以及瓦赫宁根大学的约翰·范德奥斯特一道，描述了这一新系统意想不到的生物学特征，并证明可以对其进行改造，用于编辑人类细胞的基因组。
“这对推动基因工程的发展具有巨大潜力，”博德研究所所长埃里克·兰德说。“这篇论文不仅揭示了一种此前未被认识的CRISPR系统的功能，还表明Cpf1可用于人类基因组编辑，并具有卓越而强大的特性。Cpf1系统代表了新一代基因组编辑技术。”
CRISPR序列于1987年首次被描述，其天然生物学功能最初于2010年和2011年被阐明。将CRISPR-Cas9系统用于哺乳动物基因组编辑的应用于2013年首次被报道，由张锋独立完成，哈佛大学的乔治·丘奇也单独完成了该研究。
在这项新研究中，张锋及其合作者检索了不同类型细菌中的数百种CRISPR系统，寻找可经改造用于人类细胞、并具有实用特性的酶。两种有前景的候选者是来自细菌物种 Acidaminococcus 和 Lachnospiraceae， 的Cpf1酶，张锋及其同事随后证明它们能够靶向人类细胞中的基因组位点。
“我们很高兴发现了完全不同的CRISPR酶，它们可用于推进研究和人类健康，”麻省理工学院脑与认知科学系、生物医学工程领域的W.M.凯克助理教授张锋说。
新描述的Cpf1系统与先前描述的Cas9在几个重要方面存在差异，这对研究和治疗以及商业和知识产权都具有重要影响：
第一：以天然形式存在时，DNA切割酶Cas9与两个小RNA形成复合物，二者对切割活性都是必需的。Cpf1系统则更为简单，只需要一个RNA。Cpf1酶也比标准的SpCas9更小，因而更易于递送至细胞和组织中。
第二，也许是最重要的一点：Cpf1切割DNA的方式不同于Cas9。Cas9复合物切割DNA时，会在同一位置切断两条链，留下“平末端”，这些末端在重新连接时常常发生突变。而Cpf1复合物的两条链切割位置错开，在暴露的末端留下短的突出端。这有望有助于精确插入，使研究人员能够更高效、更准确地整合一段DNA。
第三：Cpf1在远离识别位点处切割，这意味着即使靶基因在切割位点发生突变，仍很可能被再次切割，从而为正确编辑提供多次机会。
第四：Cpf1系统在选择靶位点方面提供了新的灵活性。与Cas9一样，Cpf1复合物必须首先结合一段称为PAM的短序列，靶位点必须选择在天然存在的PAM序列相邻处。Cpf1复合物识别的PAM序列与Cas9的截然不同。这在靶向某些基因组时可能具有优势，例如疟原虫以及人类的基因组。
“Cpf1出人意料的特性以及更精确的编辑为各类应用打开了大门，包括癌症研究，”博德研究所研究所成员、丹娜-法伯癌症研究所、布莱根妇女医院与博德研究所癌症精准医学联合中心的首任主任莱维·加拉韦说。加拉韦未参与这项研究。
以开放方式赋能研究
张锋与博德研究所及麻省理工学院计划广泛共享Cpf1系统。与早前的Cas9工具一样，这些机构将通过张锋实验室在质粒共享网站Addgene上的页面免费向学术研究提供该技术；张锋实验室已借此向全球研究人员共享了超过23,000次Cas9试剂，以加速研究。张锋实验室还为研究人员提供免费的在线工具和资源，可通过其 网站获取。
博德研究所与麻省理工学院计划向商业工具和服务提供商授予非独占许可，使其能够将该酶纳入其CRISPR流程与服务中，进一步确保这一新酶可用于赋能研究。这些机构计划提供最有利于在适当且重要的治疗用途中快速、安全开发的许可。
“我们致力于让CRISPR-Cpf1技术得到广泛应用，”张锋说。“我们的目标是开发能够加速研究、并最终带来新治疗应用的工具。我们认为，除了Cpf1和Cas9之外，还有更多成果即将到来，其他可被重新用于进一步基因组编辑进展的酶也值得期待。”
本文与 MIT News合作发布。刊发并不代表世界经济论坛认同文中观点。
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作者：莎拉·麦克唐纳为MIT News撰稿。
图片：图为一幅未注明日期的艺术家插图，展示DNA双螺旋结构。路透社／美国国家人类基因组研究所／Handout
