张锋团队《科学》重磅，发现新型基因编辑系统！比CRISPR-Cas更灵活

学术经纬 · 公众号 · 医学 · 2025-03-05 10:10

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▎药明康德内容团队编辑

作为CRISPR基因编辑技术的先驱之一，2013年，张锋教授团队首次将诞生不久的CRISPR-Cas9基因编辑系统改进、应用于哺乳动物和人类细胞，掀起了一场生物技术革命。如今，这套基因编辑工具在生命科学研究中得到广泛应用；基于CRISPR-Cas9的首款基因编辑疗法已经获批用于治疗镰刀型细胞贫血病，此外还有多款疗法正在临床试验阶段。

CRISPR-Cas9诞生后，这位任职于Broad研究所、麻省理工学院的科学家仍在持续拓展基因编辑工具箱。2021年，张锋团队在一篇《科学》论文中，报道了一类起源于细菌的全新RNA引导核酸酶——CRISPR-Cas系统的“祖先”OMEGA。2023年，他们又在一项《自然》研究中，首次在真核生物中发现了可编程的RNA引导系统—— Fanzor蛋白，这个能够精准靶向DNA的“真核生物CRSIPR”，有潜力成为更精准的基因编辑工具。就在同一年，张锋团队借助创新算法，在一篇《科学》论文中，从大量极端环境微生物中一次性挖掘出 188种新型CRISPR系统，有望带来新型基因编辑工具……

▲ 就在两周前，张锋团队 发表《细胞》论文 ，破解了CRISPR-Cas13系统的进化起源之谜。 点击此处 阅读报道。（图片来源：张锋实验室主页/MIT麦戈文脑科学研究所）

正如这188种新型CRISPR系统的发现，自然多样性蕴含了大量潜在的基因编辑工具，从大自然中的“寻宝”或许能挖掘出更多基因编辑系统。在一项发表于《科学》杂志的新研究中， 张锋团队揭示了一种全新的RNA引导系统——TIGR-Tas。 相比于CRISPR-Cas，TIGR-Tas系统拥有更高的靶向灵活性，并且递送难度更低。 这一发现不仅拓展了RNA引导系统的多样性，还为基因编辑工具的开发提供了全新思路。

RNA引导系统是通过RNA分子指导蛋白质，靶向特定核酸序列的分子工具。不过，现有的RNA引导系统仍存在局限性。例如，CRISPR-Cas需要依赖特定的PAM（原间隔区相邻基序）序列来识别目标位点，这限制了其靶向范围；此外，CRISPR系统需要复杂的适配蛋白，也增加了工程化改造的难度。因此， 寻找更简单、更灵活的RNA引导系统成为科学界的重要目标。

在最新研究中，张锋团队从CRISPR-Cas9蛋白的结构出发，重点关注了其RNA结合域——这里正是CRISPR-Cas9易于重编程、成为主流基因编辑工具的重要特征。研究团队对数亿种蛋白质开展了结构同源性搜索，结果 IS110转座酶 脱颖而出，与Cas9的RNA结合域表现出了相似性。

在筛选出IS110的RNA引导作用后，研究团队进一步挖掘发现， IS110的RNA结合区域和Nop结构域家族类似。 Nop结构域在真核生物中有RNA引导功能，团队推测其在原核生物中可能参与类似的RNA-蛋白质协作机制，因此成为挖掘新型RNA引导系统的关键线索。

接下来，研究团队从Nop结构域的“邻居”里找到了目标。基因组环境分析发现，Nop结构域蛋白的编码基因与 简称TIGR的长串联重复长阵列 相连。这些TIGR长阵列由交替的短重复序列（8-12 nt）和间隔序列（9 nt）组成。 这种规律性的间隔重复序列，恰好是CRISPR系统的特征。

▲TIGR系统的发现 （图片来源：参考资料[1]）

到这里，张锋团队锁定了TIGR-Tas系统。 TIGR-Tas系统由两部分组成：刚刚介绍的TIGR阵列和Tas蛋白。 其中，Tas蛋白根据功能分为三类：TasA（仅含Nop结构域）、TasH（Nop与HNH核酸酶融合）和TasR（Nop与RuVC核酸酶融合）。这种模块化设计使TIGR-Tas系统能够执行DNA切割、基因调控等多种任务。

进一步的研究发现，TIGR阵列被转录为长链RNA前体，随后可被加工成36 nt的tigRNA（TIGR向导RNA）。tigRNA的加工依赖Tas蛋白的存在，但不需要其核酸酶活性。

一个重要发现是， 尽管TIGR-Tas与CRISPR-Cas系统有着相似的特性，两者却拥有不同的识别机制 ——每个tigRNA包含两个间隔序列，分别与目标DNA的两条链互补，因此与CRISPR的单链靶向不同，TIGR-Tas通过双间隔靶向识别双链DNA，并且无需PAM序列。这种机制赋予其更高的靶向灵活性。

在对Tas蛋白的体外实验中，TasR和TasH展现出RNA引导的DNA切割能力。研究团队进一步将TasR引入人类细胞，成功在多个基因位点诱导了插入/缺失突变，编辑效率最高为3.6%。需要指出的是，目前3.6%的编辑效率显然低于CRISPR-Cas9，但TIGR-Tas无需依赖PAM的特性，为开发新型碱基编辑器与先导编辑器提供了可能。此外，Tas蛋白相比于Cas9蛋白体积更小，这也降低了体内递送的难度。

▲TIGR系统通过RNA引导切割DNA的结构基础 （图片来源：参考资料[1]）

最后，研究团队通过冷冻电镜解析了TasR-tigRNA-DNA复合物的结构，并且从结构相似性中推测，TIGR系统可能与真核生物的snoRNA系统具有共同进化起源。对于Tas蛋白，无核酸酶的TasA可能是原始形式，而TasR和TasH通过融合不同的核酸酶结构域演化出切割功能。这种模块化演化模式为理解RNA引导系统的多样性提供了新视角。

综上， 张锋团队在最新研究中开发了一种全新的RNA引导系统——TIGR-Tas，其“双间隔靶向”和“无PAM依赖”特性使其在基因编辑领域具有独特优势。 例如，传统CRISPR-Cas受限于PAM序列，而TIGR-Tas可靶向更广泛的基因组区域。此外，其紧凑的架构（仅需单个效应蛋白和短tigRNA）简化了递送系统的设计，在病毒载体容量有限的情况下更具应用潜力。张锋团队表示，目前他们目前正在研究TIGR系统在病毒中的作用，以及如何将其应用于研究与治疗。随着进一步的研究，这个“基因魔剪家族”的新成员或许将在精准医学、合成生物学等领域扮演重要角色。

参考资料：

[1] Guilhem Faure et al., TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses. Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv9789

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