Cell：学者研究CRISPR/Cas9重要新成果 扩大基因编辑靶向空间

来自东京大学、麻省理工学院与哈佛大学Broad研究所的研究人员，在新研究中揭示出了新凶手弗朗西丝菌Cas9（FnCas9）的结构，并利用这一结构信息对FnCas9进行改造构建出了一个变异体。研究成果发布在2月25日的《细胞》（Cell）杂志上。

京东大学医学科学研究所基础医学系Osamu Nureki教授，及Nureki实验室生物物理学和生物化学助理教授Hiroshi Nishimasu是这篇论文的共同通讯作者。Broad研究所核心成员张锋（FengZhang）博士是这篇论文的合着作者。2014年2月，张锋曾与Nureki教授联手合作生成了CRISPR/Cas系统关键组成部分——Cas9复合体的第一张高分辨率图像。这一重要的研究成果发布在Cell杂志上。

来自CRISPR-Cas系统的RNA引导DNA核酸内切酶Cas9，可以结合双RNA导向序列crRNA （CRISPR RNA）和tracrRNA（trans-activating RNA），或合成的单导向RNA（sgRNA），切割与导向RNA互补的双链靶DNA。当前有几种Cas9直系同源物，例如化脓性链球菌Cas9 （SpCas9）和金黄色葡萄球菌Cas9 （SaCas9）已被利用于真核生物细胞中实现基因组编辑。科学家们还在致力不断地改进这些技术。

在发表于2015年11月Nature Biotechnology杂志上的一篇研究论文中，研究小组报告称演化出了SaCas9的一种变体，它能够识别更广泛的核苷酸序列，靶向以往CRISPR-Cas9技术无法触及的基因组位点。

2015年12月，张锋领导麻省理工学院-哈佛医学院Broad研究所和麻省理工学院McGovern脑研究所的研究人员，设计改造了革命性的CRISPR-Cas9基因编辑系统，大大减少了“脱靶”编辑错误。这一完善的技术解决了使用基因组编辑时面对的一个主要技术问题。研究论文发表在Science杂志上。

除了要求RNA-DNA互补配对，Cas9识别和切割DNA还需要在靶DNA序列的邻近下游存在“PAM”（ protospacer adjacent motif）的短DNA序列，由此限制了Cas9介导基因组编辑可靶向序列的范围。来自不同微生物的Cas9直系同源物识别不同的PAM序列，SpCas9和SaCas9分别识别5′-NGG-3′和5′-NNGRRT-3′ PAMs。

Cas9直系同源物的长度和序列具有高度的差异，氨基酸残基的数量在大约900-1600之间，FnCas9是最大的成员之一。FnCas9包含1,629个氨基酸，相比于其他的Cas9直系同源物如SpCas9 （1,368个氨基酸）和SaCas9 （1,053个氨基酸）要大得多。值得注意地是，以往的一项研究报道FnCas9不仅可以介导crRNA:tracrRNA依赖性DNA切割，还可介导scaRNA（小CRISPR/Cas相关RNA）：tracrRNA依赖的基因表达调控。但目前对于FnCas9执行其双重功能的机制仍不清楚。此外，也尚未探索FnCas9在基因组编辑应用中的潜力。

在这篇Cell新文章中研究人员报告称，获得了FnCas9–sgRNA–靶DNA复合物的晶体结构，分辨率达到1.7埃。通过比较FnCas9和其他Cas9直系同源物SpCas9 与SaCas9，揭示出了亲缘关系遥远的CRISPR-Cas9系统之间的保守特征及惊人的结构差异。他们发现FnCas9识别的是5′-NGG-3′ PAM，并利用这一结构信息构建出了一个识别5′-YG-3′ PAM的Cas9异构体。此外，研究人员证实可以将预组装的FnCas9–sgRNA核糖核蛋白（RNP）复合物通过显微注射到小鼠受精卵中编辑具有5′-YG-3′ PAM的内源性位点，由此扩大了CRISPR-Cas9工具箱的靶向空间。

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