【盤點】基因編輯大咖張鋒博士CRISPR系統亮點研究

近年來，隨著生物技術突破性的變革及科學家們不斷的努力，新的基因編輯技術不斷湧現出來，推基因編輯，繼ZFN，TALENs基因編輯技術的推出，又出現了當下最熱門最新型的CRISPR/Cas9基因編輯系統。

然而在基因編輯領域內提到基因編輯達人張峰，相信大家並不陌生，作為近兩年大熱門的CRISPR技術先鋒人物之一，張鋒博士如今已日漸成為了科學界冉冉升起的一顆最閃亮的新星。本文中生物谷小編盤點了張鋒博士CRISPR基因編輯系統及CRISPR/Cas9最新的亮點研究成果。

【1】張鋒Science重大突破：攻克CRISPR-Cas9基因組編輯的主要障礙

來自麻省理工學院-哈佛醫學院Broad研究所和麻省理工學院McGovern腦研究所的研究人員，設計改造了革命性的CRISPR-Cas9基因編輯系統，大大減少了「脫靶」編輯錯誤。這一完善的技術解決了使用基因組編輯時面對的一個主要技術問題。

CRISPR-Cas9系統是通過對細胞的DNA進行精確地靶向修飾來發揮作用。藉助於與靶位點序列相匹配的一段短RNA分子，Cas9蛋白可改變指定位點的DNA。儘管Cas9能夠高度有效地切割它的靶位點，這一系統有一個主要的缺點：就是一旦進入到細胞中，它可以結合併切割額外的非目標位點。這有可能會造成意外的編輯，完全改變基因表達或是敲除掉某一基因，導致癌症形成或其他的問題出現。

在發表於《科學》(science)雜誌上的一篇新研究論文中，張鋒（Feng Zhang）和同事們報告稱，在構成化膿性鏈球菌Cas9酶的約1，400個胺基酸中，他們通過改變3個胺基酸將「脫靶編輯」顯著減少至無法檢測到的水平。

【2】基因黑客張鋒！《紐約客》萬字長文講述CRISPR背後的隱秘江湖

《紐約客》長文記錄了強大的基因編輯工具CRISPR，並講述了華人生物學家張鋒，以及基因編輯技術的歷史、科學、專利爭議和倫理紛爭等不為人知的故事。非常值得一讀。

34歲的張鋒是哈佛-麻省理工布羅德研究所（Broad Institute of Harvard and M.I.T）最年輕的核心成員，也是成就最大的人之一。1999年，張鋒還在得梅因市上高中時，就已經找到了一個能夠防止逆轉錄病毒（如HIV）感染人體的結構蛋白。這個蛋白讓他贏得了英特爾科學獎（Intel Science Talent Search）的三等獎，並獲得5.5萬美金的獎勵。他用這筆錢作為學費，完成了哈佛大學的學業。在哈佛，他學習了化學和物理學。2009年，他從史丹福大學獲得博士學位時，已經轉換了方向，幫助創立了光遺傳學（機器之心曾編譯過《紐約客》對光遺傳學的萬字介紹，其中也有相當篇幅提到張鋒的工作，點擊此處可查看），這是一個強大的新學科，允許科學家用光來研究單個神經元的行為。

【3】Cell：張鋒團隊基因編輯技術研究新突破

過去3年，CRISPR基因編輯技術成為生命科學領域的最熱門研究，因為利用這種簡單的手段，科學家可以方便地對感興趣的基因進行編輯，使基因編輯從過去高大上的尖端技術變成科學家的常用武器，也給人類基因疾病的治療帶來希望。利用這種技術，科學家已經先後成功對多種細胞，包括人類胚胎細胞進行了基因編輯。由於這種技術的簡單方便，一些業餘的生命科學研究愛好者都開始使用這種技術進行基因改造。幾乎所有人都認為，CRISPR基因編輯技術是最有希望問鼎諾貝爾化學獎的研究。不過作為一種新技術，仍然存在一些缺陷和不足，也就是說仍然有改進的潛力。

美國著名華裔科學家MIT張鋒教授團隊是該領域的領先小組之一，最近發表論文提供了一種更好的CRISPR基因編輯工具，他們根據生物進化理論，在細菌蛋白庫中尋找更理想的DNA切割酶，獲得了成功，使該技術超更簡單、更便宜、更快、更準等方向上邁進一大步。

CRISPR是生命進化歷史上，細菌和病毒進行鬥爭產生的免疫武器，簡單說就是病毒能把自己的基因整合到細菌，利用細菌的細胞工具為自己的基因複製服務，細菌為了將病毒的外來入侵基因清除，進化出CRISPR系統，利用這個系統，細菌可以不動聲色地把病毒基因從自己的染色體上切除，這是細菌特有的免疫系統。

【4】張鋒Nature發布CRISPR新成果，開闢鐮狀細胞病治療新途徑

來自Dana-Farber/波士頓兒童醫院癌症及血液疾病中心的研究人員發現，改變一小段DNA可以避開鐮狀細胞病（SCD）背後的遺傳缺陷。這一發布在《自然》（Nature）雜誌上的新發現，為開發出一些基因編輯方法來治療SCD和諸如地中海貧血等其他的血紅蛋白疾病開闢了一條途徑。

Dana-Farber/波士頓兒童醫院的Stuart Orkin博士、Daniel Bauer博士，及哈佛-麻省理工Broad研究所的張鋒（Feng Zhang）博士共同領導了這項研究。

這一稱作為增強子的DNA片段控制了分子開關BCL11A。這一開關反過來決定了紅細胞是生成成人形式的血紅蛋白（hemoglobin，在SCD中血紅蛋白發生了突變），還是未受影響的、可以對抗鐮狀細胞突變效應的胎兒形式血紅蛋白。其他的一些研究表明，胎兒血紅蛋白升高的鐮狀細胞病患者病情較輕。

發現這一增強子DNA序列中一些自然發生的有益變異在紅細胞中下調了BCL11A，驅動了這項Nature新研究。

【5】張鋒Nature Medicine綜述：基因編輯技術最新進展

生物谷BIOON/ --人體內已命名的基因共有25000多條，目前已知一部分基因（3000）的突變會引起各類疾病。對於此類疾病的治療，最本質的手段是通過一些方法將突變後的遺傳物質矯正回原來的狀態。這類方法被稱為遺傳療法（genetic therapies）。目前最廣泛的遺傳療法手段為：1. 以病毒載體感染方式引導的源基因導入；2. 以RNA幹擾方式引導的目的基因表達下調。這些手段在治療嚴重複合型免疫缺陷疾病（SCID）以及Wiskott-Aldrich症候群方面獲得了成功。儘管如此，RNAi技術在應用的廣泛性上還存在局限。

基因編輯技術（genome editing technologies）是針對DNA本身進行的操作手段。最近應用型基因編輯領域的"鼻祖"，美國麻省理工學院張鋒教授等人發表在《Nature Medicine》雜誌上的一篇綜述詳細介紹了這些技術的原理以及在臨床上的應用前景。

【6】重大突破！張鋒Nature發文：CRISPR可啟動任何基因

麻省理工的科學家們對目前最熱門的基因編輯系統CRISPR/Cas9進行了改造，這一成果發表在十二月十日的Nature雜誌上。現在，人們可以用這一技術在活細胞中有效啟動任何基因。

這個系統可以讓科學家們更簡便地研究不同基因的功能，領導這項研究的CRISPR技術先驅張鋒（Feng Zhang）說。

改造後的CRISPR技術，可以快速對整個基因組進行功能篩選，幫助人們鑑定涉及特定疾病的基因。張鋒等人在這項研究中就鑑定了讓黑色素瘤細胞抵抗癌症藥物的幾個基因。

【7】張鋒博士Nature子刊再發CRISPR重要成果

規律成簇的間隔短回文重複CRISPR與內切酶Cas9的組合，原本是細菌抵禦病毒的重要武器，現在這一組合已經成為了一個通用工具，被用於在真核生物中進行位點特異性的基因組編輯。

由於這種基因組編輯技術更易於操作，也具有更強的擴展性，CRISPRs-Cas9迅速成為了科研領域的新寵兒。

日前，麻省理工的張鋒（Feng Zhang）博士領導研究團隊向人們展示了CRISPR-Cas9的新應用。他們用這一技術在哺乳動物大腦中進行了基因功能的活體研究，文章發表在十月十九日的Nature Biotechnology上。

張鋒博士是CRISPR/Cas9技術的先驅之一。他是麻省理工學院腦與認知科學助理教授、McGovern 腦研究所和Broad研究所核心成員。去年七月，張鋒榮獲了美國生物醫學大獎：瓦利基金青年研究家獎（Vallee Foundation Young Investigator Award），獎金25萬美元。其研究組研究方向為設計新的分子工具來操控活體大腦。

【8】The Scientist：聚焦CRISPR研究先鋒張鋒

作為近兩年大熱的CRISPR技術先鋒人物之一，張鋒（Feng Zhang）博士成為了科學界冉冉升起的一顆最閃亮的新星。近日，The Scientist以「Feng Zhang： The Midas of Methods」為題，向我們介紹了這位出生於80後，年僅32歲的華人科學家。當張鋒還在愛荷華州之時，在放學之後的每周日這位年輕人都要在人類基因治療研究所的一個實驗室中度過5個小時。張鋒牢記著他的導師提出的一些「瘋狂的想法」，例如綠色螢光蛋白（GFP）能夠吸收紫外光，因此可以作為防曬霜。而當他純化出GFP，將它厚厚地塗在一層DNA之上時，他發現事實上GFP確實能夠防止DNA損傷。

張鋒的研究項目贏得了許多科學競賽大獎的第一名，這些獎金在後來幫助了他支付在哈佛大學的學費。儘管在分子生物學上取得了很大的成功，但張鋒卻選擇了主修化學和物理學。張鋒說：「我希望能夠在變化不太迅速的一些科學領域中打下堅實的基礎。物理和化學的一些法則相當固定。而每一天分子生物學都在不斷地變化。」

【9】Nat Methods：新技術可大大改善CRISPR/Cas9系統的準確率

美國麻省大學醫學院的科學家開發的新型CRISPR/Cas9技術可以足夠精確地在幾乎任何基因組的位點處對DNA進行切割，同時還可以避免潛在的在標準CRISPR基因編輯技術中發現的有害的脫靶性改變，近日，研究者通過將CRISPR/Cas9系統同可編程的DNA結合結構域（CRISPR/Cas9-pDBD）相結合，開發出了一種附加的校對步驟，其可以有效改善基因編輯系統的精確性，同時為開發潛在的基因療法提供希望，相關研究刊登於國際雜誌Nature Methods上。

研究者Scot Wolfe博士表示，標準的CRISPR/Cas9系統善於在體外利用單鏈引導的RNA來對基因組進行切割，理想狀況下這種技術可以應用於大部分的基因療法中，包括對大量細胞進行編輯來儘可能減小對基因組的附帶損傷；文章中研究人員給CRISPR/Cas9系統中添加了一種額外的校對步驟，通過將鋅指DNA結合結構域融入到CRISPR/Cas9系統中就可以明顯改善CRISPR/Cas9系統的精確性，大約可以改善大約100倍的精確性。

【10】雙刃劍——CRISPR-Cas9基因驅動技術

如果這種方法起作用，並通過監管和倫理審批，那麼「基因驅動」可能是一種清除攜帶瘧疾蚊蟲的新方法。

這個想法聽起來簡單誘人：通過在一群動物中間迅速散布一種基因，可以阻止其傳播疾病，或者直接殺死如農業害蟲等物種。但美國國家科學院、工程院和醫學院（NAS）近日在華盛頓特區主辦的一次研討會上明確表示，這種概念的核心，即基因驅動技術當前仍然面臨各種科學和監管上的不確定性。因此，基因驅動技術的產業應用依然「任重而道遠」，英國倫敦帝國學院人類遺傳學家Austin Burt說。

過去3年來，一種叫作CRISPR-Cas9的技術（可通過DNA剪切技術治療多種疾病）已經使科學家的精準醫療能力發生了一次改革，即通過改變多個器官的DNA進行精準醫療。這種技術成本低廉、便於操作，並且在幾乎所有物種測試中均有成效，它正在推動另一種叫作基因驅動的技術被應用於大量生物體中。

【11】Science：CRISPR–Cas9技術或可促進豬的器官向人類機體中的成功移植

此前科學家們並不敢想像同時對有機體的基因組進行大量的基因編輯，如今刊登在國際雜誌Science上的一項研究論文中，來自哈佛大學等處的研究人員利用基因編輯系統CRISPR–Cas9對基因工程化的豬在62個位點進行了遺傳編輯，對這62個位點進行編輯後就可以鈍化存在於豬基因組中的天然的反轉錄病毒，這些反轉錄病毒抑制著豬的器官在人類機體中的合適移植。

隨著通過基因工程技術使得反轉錄病毒被安全移除，人類有一天或許就可以接受來自豬體內的器官。文章中研究者提出了一種名為異種移植術的改變，即將一種物種的器官移植到另外一種物種機體中去，長期以來研究者一直希望，因可用器官有限而導致患者機體器官衰竭的障礙可以通過合適的供體動物來解決，而豬則可以作為一種潛在的候選者來幫助提供適合人類的器官，實際上豬的心臟瓣膜已經可以用來修復或移除人類機體受損的心臟瓣膜了。

【12】Nature：CRISPR/Cas9技術讓豬提供人的器官

幾十年來，科學家與醫生們都夢想有一天能夠利用豬培育穩定的人體置換器官的來源。然而人體免疫系統對外源器官的天然排斥以及豬體內的病毒對病毒對器官的侵害都成為阻撓這一試驗成功的因素。如今，科學家已經可以成功在豬胚胎中改造60幾種不同的基因，從而使得他們堅信不遠的將來可以培育出穩定的人類器官供體小豬。

該工作於10月5教授宣稱他們利用CRISPR/Cas9技術已經成功地將小豬胚胎中原有的62種病毒滅活。這些病毒原本根植於豬基因組中，不能通過治療或中和的方法清除，而且它們被認為是器官移植引發疾病的主要原因。

Church研究組同時也在另外一組小豬胚胎中改造了20中基因，包括編碼引發人體免疫排斥，或引發血液凝固的相關受體基因。由於文章尚未發表，因此Church沒有透露具體基因的名稱。最終，他們希望通過兩類修飾的結合達到成功培育器官供體小豬的目的。

【13】Cell Stem Cell：利用CRISPR/CAS9對人類幹細胞系進行可誘導基因敲除

近日，來自美國威斯康星大學的華人科學家Su-Chun Zhang在國際學術期刊Cell Stem Cell發表了一項最新研究進展，他們利用CRISPR/CAS9技術實現了對人類幹細胞系進行可誘導基因敲除，這一方法的成功對於研究基因在幹細胞及分化不同階段中的作用具有重要推動作用。

對基因表達進行精確的時間調控對於闡明一個基因在生物學系統中的功能至關重要，但到目前為止，在人類多能幹細胞中實現可誘導基因敲除，建立可誘導基因敲除的人類幹細胞系仍存在很大挑戰。

在該項研究中，研究人員結合CRISPR/CAS9介導的基因組編輯和Flp/FRT以及Cre/LoxP系統成功實現建立了可誘導基因敲除的人類多能幹細胞系。研究人員發現dual-sgRNA的靶向作用對於將FRT序列進行精確的雙等位基因敲入非常重要。除此之外，他們還開發了出一種新的策略將一個可調控活性的重組酶表達體系同時導入細胞，移除了藥物抗性基因，利用這種方法可以加快iKO hPSC細胞系的獲得速度。

【14】Nat Methods：科學家首次證實CRISPR-Cas9對人類細胞靶向效應的準確性

近日，一篇發表在國際雜誌Nature Methods上的研究論文中，來自首爾大學的研究人員通過研究證實了CRISPR-Cas9的確對人類細胞具有準確的靶向效應。

近些年來CRISPR-Cas9系統成為了一大熱門研究，很多科學家利用CRISPR-Cas9作為一種工具來開發抗癌細胞療法或者去修飾導致幹細胞和體細胞發生遺傳的遺傳缺陷。然而並沒有可靠敏感的方法來測定全基因組中CRISPR-Cas9的準確性，因此應用CRISPR-Cas9的安全性目前還是一個問題。當然研究者也表示這很難消除CRISPR-Cas9誘導脫靶序列產生突變的可能性，而脫靶序列往往和靶向作用的序列具有一定的相似性，在腫瘤抑制基因中脫靶序列常常會引發癌症。（生物谷Bioon.com）

本文系生物谷原創編譯整理，歡迎轉載！轉載請註明來源並附原文連結。更多資訊請下載生物谷APP.