2023年度CRISPR基因编辑领域十大研究进展，张锋实验室遥遥领先

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

诞生于2012年的CRISPR基因编辑技术，可能是21世纪以来生命科学领域最受关注的科学突破。2020年，CRISPR基因编辑技术获得诺贝尔奖的认可，而就在这个月，美国FDA批准了首款基于CRISPR的基因编辑疗法上市，用于镰状细胞病（SCD）患者。这表明了CRISPR可以真正有意义地解决患者面临的挑战性问题。

如今，每年有数千篇CRISPR相关研究论文发表，转座酶、Fanzor、表观基因组编辑的加入，让CRISPR工具箱不断扩展；LNP、VLP等递送工具的开发，以及微型化CRISPR系统的发现，让体内基因编辑快速发展；基于CRISPR的基因编辑在各种疾病的临床前和临床研究中展示了巨大潜力...

在2023年结束之际，《生物世界》评选了2023年CRISPR基因编辑领域的十大研究进展（按论文上线时间排序，入选论文聚焦于基因编辑技术突破，不列入那些只是使用CRISPR作为基因编辑工具的论文）。这些研究进展包括了新型CRISPR系统开发、改造、治疗应用、安全性研究等方向。

我们将张锋团队2023年6月28日发表于Nature期刊的论文评为年度论文，该研究

1、通过碱基编辑治疗心脏病

2023年1月12日，德克萨斯大学西南医学中心Eric Olson团队在Science期刊发表了题为：Ablation of CaMKIIδ oxidation by CRISPR-Cas9 base editing as a therapy for cardiac disease 的研究论文。

该研究使用基于CRISPR-Cas9的腺嘌呤碱基编辑器（ABE），在小鼠模型上将CaMKIIδ的两个甲硫氨酸（ATG）编辑为缬氨酸（GTG），阻止CaMKIIδ的过度激活，能够保护心脏免受缺血-再灌注损伤的影响，促进心脏功能的恢复，减少永久性损伤，而且在心脏病发作后再进行治疗也为时不晚，有望开发为一种适用于广泛的心脏病患者的治疗和保护方法。

2、首个口服CRISPR药物，防治细菌感染

2023年5月4日，丹麦科技大学、基因编辑疗法公司SNIPR Biome的研究人员在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Engineered phage with antibacterial CRISPR–Cas selectively reduce E. coli burden in mice 的研究论文。

抗生素治疗对人体肠道微生物群有不利影响，还会导致抗生素耐药性。在这项研究中，研究团队筛选了162个天然噬菌体，他们发现，其中8种噬菌体在靶向大肠杆菌方面表现突出。然后，他们通过CRISPR基因编辑对这些噬菌体进行改造，进而设计出了4种CRISPR-Cas武装的噬菌体，它们具有更强的靶向并清除大肠杆菌的能力。

该研究开发了第一种基于CRISPR-Cas的口服候选药物，该药物能够选择性靶向并清除大肠杆菌，而不影响其他肠道微生物群。目前该药物已在进行1期临床试验，旨在减少和预防血液类癌症患者肠道中大肠杆菌易位到血液而导致的致命感染。

3、利用AI技术开发新型碱基编辑工具

2023年6月27日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组在Cell期刊发表了题为：Discovery of deaminase functions by structure-based protein clustering 的研究论文。

该研究创新性地运用AI辅助的大规模蛋白结构预测，建立起全新的基于三级结构的高通量蛋白聚类方法，实现了脱氨酶功能结构的深入挖掘，鉴定到完全区别于已知脱氨工具酶的全新底盘元件，包括45个单链胞嘧啶脱氨酶（Sdd）和13个双链胞嘧啶脱氨酶（Ddd），研究团队基于这些脱氨酶开发了一系列新型碱基编辑系统，并在动、植物细胞中进行了测试。还进一步通过蛋白理性设计和功能验证，开发了新的可被单个腺相关病毒（AAV）递送的Sdd6-CBE碱基编辑器，在小鼠细胞系中的边际效率高达43.1%，以及Sdd7-CBE碱基编辑器，在大豆中的编辑效率高达22.1%。

该研究成功开发了一系列具有我国自主知识产权的新型碱基编辑工具，突破了现有脱氨酶的应用瓶颈，展现出新型碱基编辑系统在医学和农业方面广泛的应用前景。

4、首次在真核生物中发现CRISPR样系统

2023年6月28日，张锋团队在Nature期刊发表了题为：Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease 的研究论文。

研究团队在真核生物中发现了第一个RNA引导的DNA核酸酶——Fanzor，更重要的是，这种新型CRISPR样系统，可以在重编程后实现对人类基因组的编辑。

此外，相比CRISPR-Cas系统，Fanzor系统非常紧凑，更容易递送到细胞和组织中。而且，Fanzor系统没有旁系切割活性，可实现更精准的基因组编辑。这项最新研究也提示我们，RNA引导的DNA切割机制存在于所有生物界。

值得一提的是，2023年6月14日，张锋实验室曾经的研究生、麻省理工学院Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg团队（博士生姜凯议为第一作者）在预印本平台 bioRxiv 上线了一篇题为：Programmable RNA-guided DNA endonucleases are widespread in eukaryotes and their viruses 的研究论文。2023年9月27日，该论文经同行评议后在Science Advances期刊发表。

该研究表明，Fanzor作为一种可编程的RNA引导的DNA核酸酶广泛存在于真核生物（Fanzor1）及其相关病毒（Fanzor2）中。Fanzor具有强的核定位信号（NLS），能够进入真核细胞的细胞核，并在fRNA引导下编辑人类细胞的内源基因，而且没有旁系切割活性，突出了这些广泛存在的真核生物RNA引导的核酸酶的应用潜力。

5、用CRISPR消除癌细胞中多余的染色体，能够防止肿瘤生长

2023年7月6日，耶鲁大学的Jason Sheltzer团队在Science期刊发表了题为：Oncogene-like addiction to aneuploidy in human cancers 的研究论文。

众所周知，我们人类的细胞通常有23对染色体，但细胞也可能会多出来额外的染色体，也就是所谓的非整倍性（aneuploidy）。如果我们观察正常组织，其中99.9%的细胞都有着正常数量的染色体，然而，100多年前，科学家们就发现了几乎所有的癌症都是非整倍性，但却一直不清楚这一现象在癌症中究竟扮演了什么角色，人们一直在争论，到底是非整倍性导致了癌症，还是癌症带来了非整倍性。

这项研究使用CRISPR-Cas9基因编辑技术来消除癌细胞中的整个染色体，这是一项重要的技术进步，以这种方式操控非整倍性染色体将使我们更好地了解它们的功能。研究结果显示，携带额外染色体的癌细胞依赖这些染色体生长，而使用CRISPR-Cas9消除这些额外的染色体能够防止肿瘤形成。这一发现也提示了我们，选择性靶向额外染色体可能为癌症治疗提供新的途径。

6、CRISPR分子剪刀的进化起源

2023年9月27日，哥伦比亚大学Samuel Sternberg团队在Nature期刊发表了题为：Transposon-encoded nucleases use guide RNAs to promote their selfish spread 的研究论文。

该研究把我们的目光带回过去，通过回看CRISPR-Cas9的前身——跳跃基因（转座子），揭示CRISPR系统中的“DNA剪刀”是如何进化而来的。该研究证实了RNA引导的DNA核酸酶TnpB和IscB，在防止转座酶TnpA在转座过程中的永久性丢失至关重要。

这些发现揭示了RNA引导的DNA切割作为一种原始的生化活动出现，以促进转座子的自私遗传和传播，这后来在CRISPR-Cas适应性免疫的进化过程中被用于抗病毒防御。

7、减轻临床上CRISPR-Cas9导致T细胞染色体丢失的策略

2023年10月3日，诺贝尔化学奖得主、加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授，联合加州大学旧金山分校的Chun Jimmie Ye、斯坦福大学的张元豪、宾夕法尼亚大学的Carl June等人，在Cell期刊发表了题为：Mitigation of chromosome loss in clinical CRISPR-Cas9-engineered T cells 的研究论文。

该研究表明，CRISPR-Cas9基因编辑诱导的染色体缺失是一种普遍现象，由此产生的缺陷型T细胞在适应性和增殖上具有劣势，但仍可以在体外培养中持续存在数周，这可能对临床应用产生不良干扰。此外，研究团队提出了一种新的T细胞基因编辑方案，可以减少基因编辑中染色体缺失的发生，提高临床安全性。

8、基因编辑猪器官异种移植新纪录

2023年10月11日，eGenesis公司的研究人员在Nature上发表了题为：Design and testing of a humanized porcine donor for xenotransplantation 的研究论文。

该研究报道了将基因工程猪肾脏移植到非人灵长类动物（NHP）体内的手术设计和成功过程。研究团队对猪进行了多达69处基因编辑，包括敲除与超急性排异反应有关的聚糖抗原的合成有关的3个基因，敲入了参与调控排异反应反应的多个通路（炎症、先天免疫、凝血和补体）的7个人类基因，还敲除了猪基因组中的存在的内源性逆转录病毒。

结合免疫移植疗法，这种基因工程猪肾脏在移植后让食蟹猴存活了超过两年时间（758天），该研究显示了猪器官用于人类异种移植的前景，或进一步推动基因修饰的猪器官用于人类临床试验。

9、病毒对抗细菌CRISPR-Cas免疫系统的新方法

2023年10月18日，丹麦哥本哈根大学和新西兰奥塔哥大学的研究人员在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs 的研究论文。

该研究揭示了病毒（噬菌体）抑制细菌的CRISPR-Cas免疫系统的全新方法——基于小非编码RNA的抗CRISPR（small non-coding RNA anti-CRISPR，简称Racr），这也是基于RNA的抗CRISPR的第一个证据。

研究团队表示，这一发现告诉我们，自然环境中的的微生物动力学，可用于提升基因编辑的安全性，并有望带来更有效的抗生素替代品。这一发现对科学界来说是令人兴奋的，它让我们对如何阻止细菌的CRISPR-Cas防御系统有了更深入的了解。

10、用大数据算法，一次性发现188种新型CRISPR系统

2023年11月23日，张锋团队在Science发表了题为：Uncovering the functional diversity of rare CRISPR-Cas systems with deep terascale clustering 的研究论文。

该研究开发了一种新的搜索算法——基于快速局部敏感哈希聚类算法（FLSHclust），使用该算法对三个主要的公共数据库进行挖掘，这些数据库包含各种不同寻常的细菌的数据，从中识别出了188种新型CRISPR系统，并对其中4个系统进行了详细表征，这些新系统可能被用来编辑哺乳动物细胞，其脱靶效应比目前的CRISPR-Cas9系统要少，也有可能在被用于诊断或用来记录细胞内部活动。

这项研究凸显了CRISPR前所未有的多样性和灵活性，也表明了大多数CRISPR系统是罕见的，只在不寻常的细菌和古细菌中发现。随着可用来搜索数据库的不断增长，可能还有更多罕见系统被发现。