与众不同的核酸酶Cas13a：编辑RNA的新CRISPR平台及其进展

刘贵生+ＭｅｋｘｎａｙSｕｐａｍｉｔ+吴俊静

摘要：CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，规律成簇的间隔短回文重复）平台是出色的基因组编辑工具，其中新型核酸酶Cas13a（CRISPR-associated protein 13a）既可编辑DNA，也可编辑RNA，这一新平台可实现DNA或RNA的摩尔灵敏度以及单碱基错配的特异性检测，同时拓展用于病毒与细菌的精细检测（甚至是寨卡与登革热的近亲病毒株）、癌症早期监测和遗传性疾病等治疗；其需要设计少，技术操作简单，具有广泛的应用潜力，是基因组编辑的又一项卓越成果。综述了Cas13a系统的最新进展。

关键词：基因组编辑；CRISPR；Cas13a；RNA；基因网络调控

中图分类号：S188 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2018）02-0005-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.02.001

Abstract： The CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeats） platform is an excellent genome editing platform， in which， the novel nuclease Cas13a （CRISPR-associated protein 13a） can edit DNA and RNA. This new platform could fulfill DNA or RNA detection with molar sensitivity and single-base mismatch specificity， and meanwhile be extended to fine detect of viruses（even Close relatives of Zika and Dengue strains） and bacteria， monitor early cancer， with the simple technical manipulation and a wide range of application potentials， which could be another excellent tool of genomic editing. Here the current progress about Cas13a system was overviewed.

Key words： Genomic Editing； CRISPR； CRISPR-associated protein 13a； RNA； gene network regulation

CRISPR（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats，規律成簇的间隔短回文重复）平台是出色的基因组编辑工具，其层出不穷的科研进展及其应用更新给生物学界带来巨大革命。其中，比较熟知的是编辑DNA的Cas9（CRISPR-associated protein 9），而现在另一种新型核酸酶Cas13a正逐渐走进人们的视野。基因组编辑技术新平台Cas13a主要由该领域的两个先驱团队开发，分别是哈佛大学张锋教授[1，2]和加州大学伯克利分校的Jennifer A. Doudna教授[3]。2015年发现时称为C2c2，现在称为Cas13a，由于文献原因，本文同时使用这2个名称。

几乎所有的古菌和约50%的现代细菌都具有CRISPR-Cas[（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）-associated protein]，是细菌抵抗病毒和质粒侵染的获得性免疫防御系统，且是人类开发基因工程革新性工具的基础[4，5]。CRISPR-Cas系统划分为两大类，第一大类是由多亚基组成的效应复合物才能发挥功能；第二大类是由单个效应蛋白（如Cas9、Cpf1、C2c1、C2c2等）发挥功能。其中Cas9和Cpf1是广为人知的DNA编辑工具，而最近挖掘出蛋白C2c2则是又一惊喜成果，具有RNA编辑功能。《Nature Methods》2017年第一期评出了2016年度革新技术，其中之一即是C2c2靶向RNA的基因组编辑技术[6]。

1 结构

最近两篇文献揭示了C2c2加工pre-crRNA和切割靶标 RNA的分子结构，对认识细菌抵抗RNA病毒入侵的分子基础具有十分重要的意义，有助于加速对病毒感染引发的疾病的理解、治疗和预防。同时也为改造CRISPR-C2c2系统，为其在基因编辑领域的运用提供了强有力的结构生物学基础。

中科院生物物理研究所王艳丽课题组通过结构和生化解析了Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中C2c2与crRNA（CRISPR-RNA）的二元复合物3.2？魡的电镜结构、C2c2与crRNA（CRISPR-RNA）及其target RNA三元复合物3.08？魡的晶体结构，以及C2c2在自由状态下的晶体结构，揭示了LshC2c2通过两个独立的活性结构域来发挥其两种不同的RNA酶切活性（图1）[7]。crRNA的结合会引起C2c2蛋白的构象变化，这种变化很可能使其更稳定地与crRNA的结合，进而对识别靶标RNA起着重要作用。Knott等[8]报道了毛螺科菌（Lachnospiraceae bacterium）crRNA结合Cas13a（LbaCas13a）的2.0？魡晶体结构。研究人员通过结构分析和生化试验，定义了直接负责crRNA突变的Cas13a催化残基，而且这种蛋白上外源靶向RNA特异性序列的发现也解释了Cas13a核酸酶活化的构象门控（图2）。endprint

2 Cas13a与Cas9功能机制特点比较

与Cas9一样，Cas13a也能容忍crRNA与目标序列之间的单个错配，不过若存在2个错配，切割效率就大大降低。它的PFS序列（相当于PAM序列）位于间隔区的3端，由A、U或C碱基组成（图3）。

综合Cas13a特点见表1，二者的区别在于Cas13a切割对象是RNA，而Cas9靶向切割DNA；Cas13a是一种双组件系统，只需要一条crRNA介导，而Cas9需要crRNA和tracrRNA；Cas13a对crRNA的加工并非必须，尤其是Cas13a靶标单链RNA时[9]；从结构上来看，Cas13a含有两个HEPN结构域，而Cas9用HNH和RuvC结构域来切割DNA目标。HEPN结构域对Cas13a切割RNA目标是必需的；Cas13a遗传上可编码，这意味着可将必要元件合成为DNA传递到组织和细胞中。Cas13a还有一个特别之处，那就是Cas13a一旦识别并切割由crRNA序列指定的靶标RNA，它就转入了一种酶促“激活”状态，这时它将结合并切割其他的非靶标RNA，而不管它们是否与crRNA同源，或是否存在PFS，与Cas9截然不同。Cas13a蛋白实质上是细菌自我武装的哨兵，在检测到其靶标后攻击所有RNA。对于细菌而言，这种特性是有意义的。若细菌被噬菌体感染，它能够激活程序性细胞死亡或休眠状态，以限制感染在整个群体中的传播。作者将这称为附属活性，这种特性可被用作一个自动放大检测器，开发成为一种低成本的诊断法[10]。

3 应用

3.1 用于检测浓度极低的单RNA分子和单DNA分子

利用附属活性，Gootenberg等[10]在这套系统里塞入了一种带有RNA的荧光标志物，平时它不会发出荧光，一旦Cas13a到处剪切，被荧光标记的RNA就会被切开，让它发出明亮的光芒。也就是说，只要设计好合适的向导RNA，并提供Cas13a与荧光标志物，那么一旦这套系统识别到匹配的RNA序列，就会发出荧光，告诉研究人员找到靶标了。这套系统的灵敏度达到了50 fM（1 fM=10-15 mol/L）。尽管这样，研究人员依然没有满足，想要把灵敏度进一步提高到阿摩尔级（aM，10-18 mol/L）。为了达到这一目标，引入James Collins教授的技术“等温扩增”，进一步降低了对初始核酸浓度的需求，增加放大步骤有助于检测灵敏度提高到百万分之一。将这两种技术结合起来的新系统能够检测极低浓度的单RNA分子和单DNA分子，并能进一步引入冷冻干燥等应用程序，从而真正构建出一种强大的工具。利用这一技术，可在短短1 h内对样品进行检测，还可将其冻存并重构，成本也很低。

3.2 用于区分细微差异的病原

多个结果都佐证了Cas13a工具能够识别人血清、尿液和唾液中的寨卡病毒RNA，并且还可将寨卡病毒与登革热这两种关系相近的病毒区分开，甚至能分辨具有不同耐药突变的肺炎菌株，这些对于准确诊断病情、有效预防疫情暴发而言，有着现实的应用价值[10]。

3.3 用于癌症早期监测

在癌症的早期诊断领域，科学家们希望从血液中分离出专属于癌细胞的突变，从而得知癌症是否开始发作。然而，由于血液中有着大量的非癌细胞DNA，这一检测过程困难无比。Gootenberg等[10]试验表明，该平台同样能以阿摩尔级的灵敏度，识别出肿瘤特有的突变。研究人员应用这套系统，成功地鉴定出了人类基因组中的多个单核苷酸多态性（SNP），并能分析出每一个人的特定SNP是纯合还是杂合。这项工具能在患者的血液中寻找到极少量的肿瘤DNA，帮助研究人员理解肿瘤的突变如何随着时间推移发生改变。由于达到如此非同寻常的灵敏度，研究人员想到了福尔摩斯（Sherlock Holmes），于是把这套系统称为SHERLOCK（Specific high sensitivity enzymatic reporter unlocking）。

3.4 用于治疗遗传性疾病

虽然人体很多疾病是来自于DNA，但是由于基因承载着生命最根源的信息，直接对DNA进行编辑会出现安全和伦理上的问题。而RNA编辑却不同，通过编辑RNA能暂时性地纠正DNA翻译的信息，让蛋白质接收到正确的信息，达到治疗的效果，这可能是更加有效的一种临床应用方式，尤其对于需要基因表达短期变化的疾病来说，无需修改基因組就能修复突变，而且RNA会自动降解，因此RNA编辑可能更有效[11]。

3.5 潜在应用

与Cas9类似，Cas13a分子中关键残基的突变可以形成核酸酶活性缺失的Cas13a（dCas13a），它能够结合RNA目标但无法切割。人们可利用dCas13a来分离群体中的特定RNA序列，或利用荧光标记的dCas13a来研究活细胞中的RNA加工。Cas13a有望继续扩大CRISPR的应用范围有：添加一些模块到特定RNA序列中改变它们的功能（翻译成蛋白质的方式），这将使得它们成为用于大规模筛查及构建合成调控网络的有价值工具；利用C2c2荧光标记RNAs来研究RNA的运输和亚细胞定位。

此外，Cas13a并不是惟一的一种RNA靶向CRISPR系统，张锋研究组还发现了Cas13b[11]。像Cas13a一样，Cas13b仅需要单个向导RNA就能找到靶标，并且从遗传学的角度是可编码的。此外，Cas13b能够同时靶向多个RNA转录本。这些特性使得Cas13b更适用于微调基因功能研究[12]。

4 Cas13a 与RNAi比较

在CRISPR出现之前，RNAi是调节基因表达的理想方法。但Cas13a一大优势就在于其具有更强的特异性，而且这种本身来自细菌的系统对哺乳动物细胞来说并不是内源性的，因此不太可能干扰细胞中天然的转录。相反，RNAi利用内源性机制进行基因敲除，对本身的影响较大。Abudayyeh等[13]分离得到了Cas13a酶，构建出了一种双质粒RNA靶向CRISPR系统，这一系统能在不同的质粒上表达导向RNA（gRNA）和Cas13a基因，其中Cas13a基因含有一种经过改造的核定位序列，证实了切割RNA的Cas13a酶能够特异性地降低哺乳动物细胞中的内源性RNA和报告RNA水平。并指出这种方法比RNA干扰（RNAi）的效率更高，能被用于抑制细胞RNA靶标，结合和富集感兴趣的RNA，以及通过序列特异结合对细胞内的RNA进行成像。endprint

5 結论

与编辑DNA的Cas9相比较，Cas13a既可编辑DNA，也可编辑RNA，这一平台实现了单分子检测灵敏度和单碱基对特异性检测，同时拓展于病毒与细菌的精细检测、癌症早期监测和遗传性疾病治疗等，且技术操作简单，具有可靠应用潜力，是基因组编辑的又一项卓越成果。之后还需要进行大规模临床研究，并对现有检测方法进行基准测试。

参考文献：

[1] SHMAKOV S，ABUDAYYEH O O，MAKAROVA K S，et al. Discovery and functional characterization of diverse class 2 CRISPR-Cas systems[J].Mol Cell，2015，60（3）：385-397.

[2] ABUDAYYEH O O，GOOTENBERG J S，KONERMANN S，et al. C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector[J].Science，2016，353（6299）：5573.

[3] EAST-SELETSKY A，OConnell M R，Knight S C，et al. Two distinct RNase activities of CRISPR-C2c2 enable guide-RNA processing and RNA detection[J].Nature，2016，538（7624）：270-273.

[4] MURUGAN K，BABU K，SUNDARESAN R，et al. The Revolution continues：Newly discovered systems expand the CRISPR-Cas toolkit[J].Mol Cell，2017，68（1）：15-25.

[5] SHMAKOV S，SMARGON A，SCOTT D，et al. Diversity and evolution of class 2 CRISPR-Cas systems[J].Nat Rev Microbiol，2017，15（3）：169-182.

[6] RUSK N.CRISPR targets RNA[J].Nature Methods，2017，14（1）：33.

[7] LIU L，LI X，WANG J，et al. Two distant catalytic sites are responsible for C2c2 RNase activities[J].Cell，2017，168（1-2）：121-134.e12.

[8] KNOTT G J，EAST-SELETSKY A，COFSKY J C，et al. Guide-bound structures of an RNA-targeting A-cleaving CRISPR-Cas13a enzyme[J].Nat Struct Mol Biol，2017，24（10）：825-833.

[9] EAST-SELETSKY A，OCONNELL M R，BURSTEIN D，et al. RNA targeting by functionally orthogonal type VI-A CRISPR-Cas enzymes[J].Mol Cell，2017，66（3）：373-383.e3.

[10] GOOTENBERG J S，ABUDAYYEH O O，LEE J W，et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2[J].Science，2017，356（6336）：438-442.

[11] COX D B T，GOOTENBERG J S，ABUDAYYEH O O，et al. RNA editing with CRISPR-Cas13a[J].Science，2017，358（6366）：1019-1027.

[12] SMARGON A，COX D B T，PYZOCHA N K，et al. Cas13b Is a type VI-B CRISPR-Associated RNA-guided RNase differentially regulated by accessory proteins Csx27 and Csx28[J].Mol Cell，2017，65（4）：618-630.e7.

[13] ABUDAYYEH O O，GOOTENBERG J S，ESSLETZBICHLER P，et al. RNA targeting with CRISPR-Cas13[J].Nature，2017， 550（7675）：280-284.endprint