今日凌晨，《科學》雜誌發表麻省理工學院和哈佛大學 Broad 研究所張鋒團隊最新文章，他們開發的一種名為 RESCUE 的全新 CRISPR 基因編輯技術，可以進行以前不可能進行的 RNA 單鹼基編輯。
具體而言，張鋒團隊利用 dCas13 引導 RESCUE 有針對性地靶向轉錄RNA中的胞嘧啶鹼基（C），並使用一種改進後的全新 ADAR2 酶把不需要的胞嘧啶鹼基（C）精確地修改為尿嘧啶鹼基（U），從而改變 RNA 的指令，達到不修改 DNA 也可實現改變蛋白質的目的。
RESCUE 極大擴展了 CRISPR 技術在 RNA 編輯領域的應用，包括蛋白質中可修改的特定位置，比如磷酸化位點。這些位點在蛋白質的功能中起著決定性的作用，在信號分子和癌症相關通路中尤為明顯。
「為了治療引起疾病的基因變異多樣性，我們需要一系列精確的技術來選擇。通過開發這種新的酶，並將其與 CRISPR 的可編程性和精確性相結合，我們填補了 CRISPR 工具箱中的一個關鍵空白。」張鋒教授表示。
越來越豐富的 CRISPR 工具包
真核生物的基因組由數十億個 DNA 鹼基組成，精確靶向目的基因並修改這些 DNA 鹼基序列，對整個分子生物學和醫學的發展都具有巨大價值。我們熟悉的通過病毒轉染將基因片段插入目的基因組，就是科學家們對於基因編輯最初的努力。但是，這樣的基因編輯方法，既耗時耗力，又難以精確實現預期目的。
30 多年前，科學家在細菌中發現一段規律間隔成簇短回文重複序列，並發現這種重複序列可讓細菌對病毒有免疫抗性。2001 年，西班牙科學家 Francisco Mojica 正式將其命名為 CRISPR。
2012年，兩位女科學家，來自加州大學伯克利分校的結構生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和瑞典于默奧大學的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）首次將 CRISPR/Cas 作為基因編輯系統應用。
之後，來自於哈佛大學醫學院的 George Church、麻省理工學院 Broad 研究所的張鋒以及加州大學舊金山分校系統及合成生物學中心的亓磊（目前就職於史丹福大學），分別發表三篇文章，將 CRISPR/Cas 基因編輯系統首次成功應用到哺乳動物細胞中。
圖 | 張鋒教授（來源：麻省理工科技評論）
CRISPR/Cas 的出現，引領了整個基因編輯領域爆炸式的發展，並徹底改變了我們修改疾病相關基因突變的能力。
而自 2012 年 CRISPR 基因組編輯工具正式出現以來，已發表了 9000 多篇相關的研究論文。眾多科學家不斷改進 CRISPR/Cas 基因編輯系統，將其從單一的「基因剪刀」擴展成多功能的「基因工具包」，包括靶向 DNA 的 Cas9 和 Cas12 酶，靶向 RNA 的 Cas13 酶。不斷豐富的 CRISPR/Cas 系統也展現出令人興奮的廣闊應用前景。
但是，對 DNA 的編輯修改，意味著對基因組不可逆的永久性改變，這一過程也目前面臨著不可迴避的安全風險和倫理問題。此外，一些細胞類型，比如神經元，很難使用 CRISPR/cas9 介導的編輯對 DNA 進行修改，這也就限制了神經系統疾病的基因治療應用。
於是，一種僅編輯修改 RNA 的基因編輯策略被科學家們提了出來。
DNA 是遺傳信息的載體，RNA 作為 DNA 轉錄出來的中間產物，負責指導下遊蛋白質的生產。因此，針對與疾病相關的基因突變，僅短暫對 RNA 突變進行修改，既避免了對基因組的不可逆修改，又實現了突變蛋白質的糾正。
全新的 RESCUE 系統
2017 年，張鋒團隊就在《科學》雜誌發表了一項針對 RNA 編輯的全新 CRISPR 系統——REPAIR，在這款RNA編輯器中，研究人員將高效靶向 RNA 的 Cas13b 蛋白與 ADAR2 酶結合在一起，將 REPAIR 編輯系統引導至特定的 RNA 位置，特異性地將 RNA 上的腺嘌呤鹼基（A）修改為與鳥嘌呤鹼基（G）結構類似的肌苷（I）。
對於細胞而言，肌苷與鳥嘌呤鹼基十分相像，能夠以鳥嘌呤的身份合成具有正常生理功能的蛋白質。因此，REPAIR 編輯系統相當於實現了有效地對 RNA 中的腺嘌呤（A）進行單鹼基編輯。
通過對 REPAIR 編輯系統的改進升級而來的全新 RESCUE 編輯系統，能夠實現直接將 RNA 中的胞嘧啶鹼基（C）直接修改為尿嘧啶鹼基（U）。RESCUE 編輯系統能夠被引導到到任何 RNA 中，然後通過優化的 ADAR2 組件平臺執行由 C 到 U 的 RNA 編輯任務。
圖 | 由鹼基 C 到鹼基 U，和由鹼基 A 到 I 的原理圖（來源：Science）
在最新發表的論文中，研究人員還將這個新平臺應用到人類細胞中，與實驗室中合成 RNA 中有效修改 24 個臨床相關突變一樣，RESCUE 編輯系統成功靶向了人類細胞中的天然 RNA。
研究人員表示，接下來他們將進一步優化 RESCUE 編輯系統，以減少目標外的編輯，同時最小化目標內編輯的幹擾。
RESCUE 編輯系統的誕生，意味著翻譯後修飾調控許多蛋白質活性和功能的位點，如磷酸化、糖基化和甲基化，現在可以更容易地成為編輯的目標。
為了驗證 RESCUE 編輯系統的這種應用潛力，研究人員在人類細胞實驗中證實，RESCUE 編輯系統可以精準靶向編碼 β-catenin 蛋白（β-catenin 蛋白已知在蛋白質磷酸化過程中發揮關鍵作用）的 RNA 特殊位點，引起 β-catenin 蛋白活性的臨時增加，並促進細胞生長。
如果這樣的變化是永久性的，它可能會使細胞不受控制地生長進而發展為癌症。但現在通過使用 RESCUE 編輯系統，短暫的細胞生長可以實現促進傷口癒合，應對急性損傷。
圖 | 在 RESCUE 編輯系統中，酶 Cas13（粉紅色）使用嚮導（紅色）來定位細胞中的 RNA（藍色）（來源：Stephen Dixon）
此外，研究人員還將目光瞄準了一種致病基因變體 APOE4。APOE4 等位基因一直是晚發性阿爾茨海默病發病的遺傳風險因素，與 APOE4 只有兩個鹼基區別的 APOE2（APOE4 中的兩個鹼基 C，對應著 APOE2 中的兩個鹼基 U），卻不是阿爾茨海默病的危險因素。
於是，張鋒團隊將與疾病風險相關的 APOE4 RNA 進入細胞中，通過 RESCUE 編輯系統成功將 APOE4 中的兩個鹼基C，修改為 APOE2 序列，這本質上相當於能夠將攜帶 APOE4 基因的阿爾茨海默病高風險人群，風險轉化為無。
為了將 RESCUE 編輯系統作為一種廣泛使用的工具，更好地推向臨床應用，張鋒實驗室計劃將 RESCUE 編輯系統向學術界免費共享，在此之前，他們開發的 CRISPR 工具，也都向用於學術研究的科學家們免費共享。