在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院麥戈文研究所的研究人員發現了一種細菌酶，他們說這種酶可以擴大科學家們使用的CRISPR工具箱，使其能夠輕鬆地切割和編輯RNA，而在此之前，這種精確性只適用於DNA編輯。這種他們最終命名為Cas7-11的細菌酶在不傷害細胞的情況下修改RNA靶標，這表明除了是一種有價值的研究工具外，它還為治療應用提供了一個肥沃的平台。相關研究結果於2021年9月6日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Programmable RNA targeting with the single-protein CRISPR effector Cas7-11”。
論文共同通訊作者、麥戈文研究所研究員Omar Abudayyeh提及通過使DNA編輯變得快速、廉價和精確而引發現代生物學變得的DNA切割酶Cas9時，說道，“這種新的細菌酶就像是編輯RNA的Cas9。”他補充說，“它精確地在靶標上進行兩次切割，而且不會像其他酶那樣在切割過程中破壞細胞。”
到目前為止，只有另外一個RNA靶向酶家族，即Cas13，被廣泛地開發用於RNA靶嚮應用。然而，當Cas13識別到它的目標時，它會粉碎細胞中的任何RNA，從而順便地破壞細胞。與Cas9一樣，Cas7-11是一個可編程系統的一部分；它可以通過CRISPR嚮導指向特定的RNA靶標。Abudayyeh、麥戈文研究員Jonathan Gootenberg（另一名論文共同通訊作者）和他們的同事們通過對微生物世界中發現的CRISPR系統的深入探索發現了Cas7-11。
探索自然多樣性
與其他CRISPR蛋白一樣，Cas7-11被細菌用來作為防禦病毒的機制。在遇到一種新的病毒後，採用CRISPR系統的細菌以病毒遺傳物質的小片段形式記錄病毒感染。如果該病毒再次出現，CRISPR系統就會被激活，在一小段RNA的引導下，摧毀病毒基因組並消除感染。這些古老的免疫系統是廣泛而多樣的，不同的細菌部署不同的蛋白質來對抗它們的病毒入侵者。
論文共同作者、美國國家生物技術信息中心進化生物學家Eugene Koonin說，“有些CRISPR蛋白靶向DNA，有些CRISPR蛋白靶向RNA。有些CRISPR蛋白在裂解靶標方面非常有效，但有一些毒性，而另一些則沒有。它們引入了不同的切割類型，它們可以在特異性方面有所不同---等等。”
Abudayyeh、Gootenberg和Koonin一直在研究基因組序列，以了解CRISPR系統的自然多樣性，並作為潛在的工具分析它們。Abudayyeh說，這個想法是為了利用進化已經在改造蛋白質機器上完成的工作。
當這些作者通過公共數據庫來研究不同細菌防禦系統的組成部分時，一種從日本東京灣分離出來的細菌Desulfonema ishimotonii的蛋白質引起了他們的注意。它的氨基酸序列表明，它屬於一類CRISPR系統，該系統使用大型的多蛋白複合物來尋找和切割它們的目標。但是這種蛋白質似乎擁有它所需要的一切，可以獨立完成這項任務。Koonin說，其他已知的單蛋白Cas酶，包括已被廣泛用於DNA編輯的Cas9蛋白，屬於CRISPR系統的一個單獨類別，但是Cas7-11模糊了CRISPR分類系統的界限。他們最終將這種蛋白質命名為Cas7-11。
圖片來源：doi:10.1038/s41586-021-03886-5
Cas7-11從工程的角度來看是很有吸引力的，因為單一的蛋白質更容易被遞送到細胞中，並且比複雜的多蛋白複合物更容易成為編輯工具。但是它的組成也標誌着一個意想不到的進化史。這些作者發現有證據表明，通過進化，更複雜的Cas機器的組件融合在一起，形成了Cas7-11蛋白。Gootenberg將此等同於當你之前認為鳥類是唯一會飛的動物時發現了蝙蝠，從而認識到有多種進化路徑來實現飛行。他說，“這完全改變了人們對CRISPR系統的思考方式，無論是在功能上還是在進化上。”
精確編輯
當Gootenberg和Abudayyeh在他們的實驗室里生產出Cas7-11蛋白並開始對它進行實驗時，他們意識到這種不尋常的酶提供了一種操縱和研究RNA的強大手段。當他們把它和嚮導RNA（gRNA）一起引入細胞時，它精確地切割了它的RNA靶標，而其他RNA卻沒有受到干擾。這意味着他們可以使用Cas7-11來改變RNA代碼中的特定鹼基，從而校正基因突變帶來的錯誤。他們還能夠對Cas7-11進行編程，以穩定或破壞細胞內的特定RNA分子，這使他們有能力調整這些RNA編碼的蛋白質的水平。
Abudayyeh和Gootenberg還發現，Cas7-11切割RNA的能力可以被一種似乎可能也參與觸發程序化細胞死亡的蛋白質所抑制，這表明CRISPR防禦和對感染的更極端反應之間可能存在聯繫。
這些作者發現，一種基因治療載體可以將完整的Cas7-11編輯系統遞送給細胞，而且Cas7-11不會損害細胞的健康。他們希望隨着進一步的開發，這種酶有一天可能被用來編輯患者RNA中的致病序列，這樣他們的細胞能夠產生健康的蛋白質，或者下調因遺傳疾病而造成傷害的蛋白質的水平。
Gootenberg說，“我們認為Cas7-11的獨特切割方式能夠實現許多有趣和多樣化的應用。沒有其他CRISPR工具能夠如此精確地切割RNA。這又是一個很好的例子，說明這些基礎生物學驅動的探索可以產生治療和診斷的新工具。我們肯定還只是觸及了自然多樣性的表面。”（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Ahsen Özcan et al. Programmable RNA targeting with the single-protein CRISPR effector Cas7-11. Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03886-5.
