李轩研究组合作完成CRISPR-Cas13a介导的精确定点RNA编辑的人工机器

2018年5月 31日, 国际学术期刊《Nucleic Acids Research》在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所李轩研究组合作完成的题为“Implementation of the CRISPR-Cas13a system in fission yeast and its repurposing for precise RNA editing”的研究论文。该工作报导了一个利用新发现CRISPR家族中的Cas13蛋白（VI 型）、及其指导RNA(guide RNA)靶向结合特异序列单链RNA的能力，通过设计改造并与人源的RNA脱氨酶催化结构域（hADAR2d）结合，实现了精确定点RNA（A→I）编辑的人工机器。与近年来利用CRISPR家族蛋白（例如Cas9）对DNA编辑来修改基因/调控基因表达不同，Cas13体系不涉及编码基因DNA的改变，而是通过对基因转录产物（mRNA）进行编辑，为改变基因功能和调控表达提供了新的方法和思路。

近年来利用 CRISPR技术对生物物种基因DNA的编辑（包括切割和碱基替换），获得了巨大的成功，同时也面临技术上的限制。与DNA编辑技术互补，一个针对RNA的精确定点编辑技术，有独特的技术优势和应用。与DNA编辑技术相比，RNA的定点编辑不改变编码基因本身（DNA碱基改变后不能逆转），在时间上、空间上、和效率上更加可控。同时，RNA编辑可以同时修改多个基因、同时靶向多拷贝基因的所有转录产物（尤其是对多倍体的物种），所以更加高效。在对疾病的基因治疗领域，利用RNA定点编辑修复疾病组织的突变基因，有着重要的应用价值。

为了实现精确定点RNA编辑的人工机器，李轩研究组与杨晟研究员、中科院上海巴斯德研究所郝沛研究员、及美国密歇根大学王红兵教授合作，对新发现CRISPR家族中、具有结合特异序列单链RNA能力的Cas13a，首先在模式生物裂殖酵母（S pombe）中实现了其靶向内源RNA和降解靶标RNA的功能。进一步，设计利用Cas13a的改造产物dCas13a（丧失RNA切割活性的突变），将dCas13a与人源的RNA腺嘌呤脱氨酶催化结构域（hADAR2d）融合，引入到裂殖酵母中；再通过设计RNA编辑机器的靶向“零件”-指导RNA，实现了对内源RNA的精确定点编辑。为了对RNA定点编辑机器的设计和参数（编辑碱基位置、距离、指导RNA结构和长度等）进行优化，研究人员构建了一系列不同的设计，并利用一个双荧光报告（reporter）系统来测试不同设置的编辑效率，从而获得了精准RNA编辑机器的最优参数。优化后的编辑机器对内源靶标RNA的编辑效率达到了59%。最后，本研究实现的精准RNA编辑机器的功能，进一步体现在对裂殖酵母反转录转座子Tf1突变株的修复和操作的实验中。Tf1与动物细胞的逆转录病毒类似，其跳跃和扩增需要经过中间体RNA的逆转录步骤。研究人员利用精准RNA编辑，恢复了Tf1突变株的转座能力，这个应用对逆转录病毒干预和操作提供了一个有潜力的工具。

该研究主要由荆新云博士和研究生解冰冉、张牛冰等人完成。相关工作得到了中国农业部项目、国家科技重大专项、和自然科学基金项目的支持。

文章链接：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gky433/5025895

Figure 1. Implementation of the LshCas13a system in fission yeast

Figure 2. Construction and validation of the dCas13a-mediated system for site-specific editing ofmRNA for a fluorescent reporter