Nature 重磅｜CRISPR 新系统 Cas12a2 问世，精准“处决”病变细胞，零误伤健康细胞

在癌症治疗中，一个长期存在的终极难题，是如何精准杀死病变细胞，同时完全不伤及健康组织。这不仅是临床医生面临的核心挑战，更是整个生命科学领域追逐的 “圣杯” 之一。传统的化疗与放疗往往 “敌友不分”，在杀伤癌细胞的同时也会对快速分裂的健康细胞造成重创。即便是如今备受推崇的靶向药、免疫疗法，也面临着靶点受限、耐药性频发、无法覆盖所有突变类型的困境。

而被寄予厚望的CRISPR 基因编辑技术，此前也始终难以突破真核细胞中的“杀伤瓶颈”——经典的 Cas9、Cas12a 核酸酶仅能定点切割 DNA，其造成的双链断裂会被细胞通过非同源末端连接（NHEJ）或同源定向修复（HDR）高效修复，很难触发细胞死亡；靶向 RNA 的 Cas13 系统，在真核细胞中也无法实现稳定、高效的细胞清除，始终难以落地到病变细胞的定向清除场景中。

近日，一篇发表在国际顶级期刊Nature上题为“RNA-triggered cell killing with CRISPR–Cas12a2”的研究，彻底打破了这一僵局。来自犹他大学、犹他州立大学、德国亥姆霍兹 RNA 感染研究所等机构的科学家团队，开发出了一套基于 CRISPR-Cas12a2 的可编程精准细胞清除系统，它就像一套自带 “音频识别” 的细胞杀毒软件——只监听细胞内的 RNA “信号”，只有识别到专属 “危险暗号” 时才会启动杀伤程序，对不携带靶标序列的健康细胞则完全 “视而不见”，真正实现了对病变细胞的精准、定向清除。事实上，Cas12a2 在 2023 年就被科学家发现，它在细菌中能被靶标 RNA 激活，通过非特异性切割 DNA 引发细菌的休眠与死亡，但其在真核细胞中的作用与应用潜力，始终是未被探索的空白领域，而这项研究，正是首次在真核细胞中解锁了 Cas12a2 的可编程精准细胞清除能力。

这套系统的核心，是一种近年新发现的V 型 CRISPR 核酸酶 Cas12a2。和人们熟知的、以 “基因剪刀” 著称的 Cas9 截然不同，Cas12a2 的核心能力并非精准编辑基因，而是 RNA 触发的 “全基因组 DNA 粉碎”。

它的工作逻辑精妙且严谨：首先通过一条定制化的引导 RNA（gRNA），在细胞内寻找与之完全互补的靶标 RNA。只有当引导 RNA 与靶标 RNA 实现完美匹配，且靶标 RNA 旁侧带有特征性的富腺嘌呤原间隔侧翼序列（PFS）时，Cas12a2 才会被彻底激活。一旦激活，它就会化身一台失控的 “分子碎纸机”，在细胞内无差别切割所有双链 DNA（dsDNA），制造大量遍布全基因组的 DNA 双链断裂——这种级别的 DNA 损伤，已经远超细胞的修复能力上限，最终会触发细胞周期停滞，以细胞凋亡为主要途径，同时伴随坏死、炎症性死亡等多种方式，让靶标细胞彻底走向死亡。而如果引导 RNA 与细胞内的 RNA 无法完美匹配，哪怕只是出现两个碱基的错配，Cas12a2 都会始终保持沉默状态，细胞的生命活动完全不受影响。

RNA触发的Cas12a2可清除表达目标RNA序列的酵母细胞和哺乳动物细胞

研究团队首先在酿酒酵母中验证了这套系统的杀伤能力，结果显示，靶向ADE2基因转录本的 Cas12a2，让酵母转化子数量下降了 134 倍，而传统的 Cas12a 仅能实现 4 倍的下降，且 Cas12a2 的杀伤不会被细胞的同源定向修复机制逃逸，彻底解决了传统 CRISPR 核酸酶在真核细胞中 “杀不死、易逃逸” 的核心难题。

随后在人类细胞的实验中，这套系统的表现同样惊艳：在稳定表达 GFP 的 HeLa 细胞中，靶向 GFP 转录本的 Cas12a2 核糖核蛋白复合物（RNP），实现了高达 86% 的靶标细胞清除；而作为对比，同类型靶向 RNA 的 CRISPR 系统 LbuCas13a，在相同靶点下仅能实现 37% 的细胞清除，效果差距十分显著。更重要的是，Cas12a2 的杀伤能力不依赖靶标 RNA 的高表达，哪怕是低丰度的内源转录本，也能有效触发细胞死亡，同时还能通过临床常用的脂质纳米颗粒（LNP）实现高效递送，为体内临床应用铺平了道路。

精准性是这项技术最核心的优势，也是其未来走向临床的关键基石。研究团队通过多维度实验系统验证了 Cas12a2 的脱靶风险，结果显示，在不表达靶标 GFP 的 HeLa 细胞中，靶向 GFP 的 Cas12a2 既不会造成细胞清除，也不会引发可检测的 DNA 双链断裂，更没有出现非特异性的基因表达差异。体外实验与细胞内的错配耐受测试进一步证实，Cas12a2 对碱基错配的容忍度极低，仅两个碱基的错配就会使其完全丧失激活能力，在实验条件下未观察到任何有意义的脱靶激活，真正实现了 “非靶标不杀伤” 的超高特异性。

基于这套系统的超强特异性与高效杀伤能力，研究团队在三大生物医药核心场景中，完成了突破性的概念验证，彻底展现了这项技术的广阔应用前景。

第一个核心应用，是清除病毒感染的细胞。研究团队选择了高危型人乳头瘤病毒（HPV）——这是宫颈癌、头颈癌等多种恶性肿瘤的核心诱因，而 HPV 基因组整合到宿主细胞后持续表达的 E6、E7 癌基因转录本，正是仅存在于感染细胞中的绝佳靶标。实验结果显示，靶向 HPV18 E6 或 E7 转录本的 Cas12a2，对 HPV 阳性的 HeLa 细胞实现了 94% 的清除率，而对不携带 HPV 的健康 HEK293 细胞则完全没有杀伤效果。

更重要的是，在 HPV16 阳性的头颈癌患者来源异种移植（PDX）小鼠模型中，通过瘤内注射 LNP 包裹的 Cas12a2 mRNA 与靶向 E6 的引导 RNA，显著抑制了小鼠体内的肿瘤生长，且肿瘤组织中检测到了明确的凋亡标志物，证实了这套系统在体内的有效性与安全性。

第二个应用场景，是基因编辑细胞的高效富集。如今 CRISPR 基因编辑技术已被广泛应用于科研与临床，但无论是传统的插入缺失（indel）编辑，还是超高精准的先导编辑（Prime Editing），都始终面临编辑效率有限的核心痛点。而 Cas12a2 系统提供了一套完美的解决方案：通过设计引导 RNA 靶向未编辑的野生型转录本，只有成功完成基因编辑、靶标序列被破坏的细胞，才能逃过 Cas12a2 的杀伤，从而实现编辑细胞的高效富集。实验结果显示，这套系统将 Cas12a 介导的 indel 编辑效率富集了 3.1 倍，更是将先导编辑的精准编辑效率最高富集了 4.3 倍，且适用于多种不同的基因编辑工具，为基因编辑技术的优化与临床转化提供了全新思路。

第三个，也是最受关注的应用，是精准杀伤携带致癌突变的癌细胞。研究团队以癌症中最常见的致癌突变之一KRASG12C为靶点——这种单碱基突变存在于约 13% 的肺腺癌、3% 的结直肠癌中，也是临床靶向治疗的核心靶点，但始终面临着野生型与突变型难以区分、靶向药耐药频发的临床难题。研究团队通过优化引导 RNA 设计，让 Cas12a2 实现了单碱基分辨率的识别：它能精准识别并被KRASG12C突变转录本激活，杀死携带突变的癌细胞，而对高表达野生型KRAS的正常细胞完全没有影响。在天然携带KRASG12C突变的非小细胞肺癌 NCI-H23 细胞中，Cas12a2 实现了 50% 的细胞清除；与 FDA 批准的KRASG12C靶向药索托拉西布（Sotorasib）联用时，细胞清除率更是从单药的 65% 提升至 85% 以上。更令人振奋的是，对于已经产生索托拉西布耐药性的癌细胞，Cas12a2 依然能实现 51% 的清除率，为解决临床靶向药耐药的世界性难题提供了全新方向。

这项研究的通讯作者 Yang Liu 教授这样形容 Cas12a2：“它的目标不是去纠正细胞里的基因错误，而是彻底清除那些携带危险转录本的细胞。这种酶的特异性超乎我们的想象，它完全不会触碰健康细胞，这一点让我们无比震撼。” 另一位通讯作者 Ryan Jackson 也表示，由于 Cas12a2 可以通过简单的引导 RNA 编程，靶向任意的 RNA 序列，且几乎没有脱靶效应，这意味着我们找到了一种能在真核生物中跨物种实现选择性细胞清除的通用方法。

当然，和所有突破性的生物技术一样，Cas12a2 从实验室走向临床，依然需要经历漫长的安全性与有效性验证。目前这项研究的核心数据主要来自体外细胞实验与小鼠模型，想要真正应用于人类患者，还需要解决递送系统优化、长期安全性评估、核酸酶免疫原性等一系列问题。但不可否认的是，这项技术为精准细胞清除打开了全新的大门，它的应用场景远不止癌症治疗：从清除乙肝、HIV 等潜伏病毒感染的细胞，到遗传病的细胞治疗，从生物制造中的工程细胞筛选，到农业中的抗病虫害育种，都有望迎来全新的突破。而对于无数癌症患者而言，这项技术的出现，让 “只杀癌细胞、不伤健康细胞” 的终极抗癌梦想，又向前迈进了坚实的一大步。

参考文献：

Scholz, P., Thompson, J., Crosby, K.T. et al. RNA-triggered cell killing with CRISPR–Cas12a2. Nature (2026). doi：10.1038/s41586-026-10466-y

来源 | 生物谷

编辑 | VOX

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