CRISPR/Cas系统原本是细菌用来保护自身免受噬菌体感染的适应性免疫系统。2012年8月,加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna教授与现任Max Planck研究所感染优乐娱乐学部主任的Emmanuelle Charpentier教授在Science杂志上发表了一篇题为“A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity”的重要成果,首次揭示了CRISPR/Cas这一天然免疫系统的基因组编辑功能。

半年后,Broad研究所的张锋教授带领的研究小组在Science杂志上发表了另一篇题为“Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems”的论文,首次证实了CRISPR技术能够编辑人类细胞的基因组。这两篇关键的论文开启了CRISPR技术在生命科学领域的风靡生涯。

在刚刚过去的8月,CRISPR领域再次迎来发文热潮。来自全球各国的科学家们利用这一基因编辑神器在CNS等杂志上发表了数篇重要成果,包括首次利用CRISPR成功实现单基因遗传病的突变基因安全修复、找到癌症免疫疗法的必需基因、解决猪器官异种移植关键难题、首次揭秘“环状RNA”与大脑功能有关等等。

这一被誉为“世纪发现”的基因编辑工具革新了优乐娱乐医学研究,并为基因疾病以及其它疾病的治疗带来了新的希望。本专题为大家盘点2017年已发表的魔剪CRISPR重要成果TOP25,其中包括11篇Nature、9篇Cell以及4篇Science。

  • Nature:CRISPR究竟是如何工作的?

    3月29日,来自洛克菲勒大学的3位科学家在Nature杂志发表了一篇题为“CRISPR–Cas systems exploit viral DNA injection to establish and maintain adaptive immunity”的论文。这一研究成果回答了一个存在已久的问题,即CRISPR究竟是如何工作的。

  • Nature:从结构上揭示CRISPR-Cpf1的DNA靶向机制

    2015年9月,张锋研究组在Cell杂志上发表的一篇论文中首次提出了新型基因编辑系统CRISPR/Cpf1。此后,关于CRISPR/Cpf1的研究成果层出不穷,其中包括了对其结构的解析和应用的探索。2017年5月30日发表在Nature杂志上题为“Structure of the Cpf1 endonuclease R-loop complex after target DNA cleavage”的这篇论文揭示了Cpf1是如何让DNA解链,并对它进行切割的。

  • Nature:惊人发现!揭秘CRISPR“前所未有”的防御机制

    7月19日,发表于Nature杂志上题为“Type III CRISPR–Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers”的研究中,来自瑞士苏黎世大学等机构的科学家小组发现了细菌抵御入侵病毒的一种前所未有的防御机制。

    在CRISPR-Cas系统的一个亚型中(Type III CRISPR–Cas),研究人员有了一个惊人的发现。当CRISPR识别入侵者后,它合成了一个“第二信使”(second messenger):一个小的、环状RNA分子。这一信号分子能够在细菌细胞中扩散,激活另一种RNA降解酶Csm6。Csm6然后帮助摧毁病毒的RNA。

  • Science:女神团队揭秘CRISPR蛋白如何找到目标

    Jennifer Doudna教授团队7月20日在Science杂志发表的这篇题为“Structures of the CRISPR genome integration complex”的研究揭秘了CRISPR蛋白是如何找到它们的目标的。

    具体来说,研究发现了Cas1-Cas2(与细菌中CRISPR免疫系统能力有关的蛋白质)是如何适应新的病毒感染,并鉴定出了它们在基因组中插入病毒DNA的位置。研究证实,Cas1-Cas2对插入位点的识别并不是依赖序列,而是依赖结构。

  • 2篇Cell:中科院王艳丽课题组课题组解析RNA靶向CRISPR系统

    1月12日,Cell 杂志发表了中科院优乐娱乐物理研究所王艳丽课题组关于Ⅵ型CRISPR-Cas系统的效应蛋白C2c2的结构研究(论文:Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities)。C2c2(现在被称为 Cas13a)最早由张锋团队在2016年的一篇Science中提出:论文首次描述了这一RNA靶向的CRISPR酶。

    王艳丽课题组在这篇Cell论文中解析了Leptotrichia shahii(Lsh)细菌中C2c2与crRNA (CRISPR-RNA) 的二元复合物以及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。【详细】

    7月27日,王艳丽课题组与中科院优乐娱乐物理所章新政课题组合作发表了另一篇关于Cas13a的论文(题目:The Molecular Architecture for RNA-Guided RNA Cleavage by Cas13a)。为了理解Cas13a是如何被激活来切割RNA的,研究人员解析了Leptotrichia buccalis(Lbu)中Cas13a结合crRNA和其目标RNA的晶体结构,以及LbuCas13a-crRNA复合物的冷冻电镜结构。

    研究发现,与目标RNA结合后,Cas13a蛋白和crRNA出现了显著的构象变化。Guide-target RNA duplex的形成触发了HEPN1域向HEPN2域移动,激活了Cas13a蛋白的HEPN催化部分(catalytic site)。随后,Cas13a以一种非特异性的方式进行目标RNA的切割。这些发现揭示了Cas13a是如何预防RNA噬菌体的,并为其作为一种RNA操纵工具的发展奠定了基础。【详细】

  • Cell:CRISPR“关闭开关”如何起作用

    继2016年年底Cell杂志的两篇论文提出CRISPR“关闭开关”(anti-CRISPR,inhibitor of CRISPR-Cas9)后,这篇于2017年3月23日发表在Cell杂志上论文(题目:Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex)首次解决了病毒的anti-CRISPR蛋白和细菌的CRISPR复合物结合的结构,准确地揭示了病毒是如何让细菌防御系统失效的。(背景知识:细菌进化出了CRISPR介导的适应性免疫系统,用以对抗病毒感染,而病毒也进化出了多种anti-CRISPR(Acr)蛋白来破坏细菌的这些免疫系统。科学家们正是利用病毒的这种对抗机制来寻找CRISPR的关闭开关。)

  • 哈工大Nature发文:揭示Anti-CRISPR蛋白抑制SpyCas9活性的分子机制

    在去年12月发表的题为“Inhibition of CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins”的论文中,科学家们找到了在细菌和人类细胞中都能阻止CRISPR系统基因编辑活性的“关闭开发”:AcrIIA2和AcrIIA4。它们能够阻断CRISPR系统中Cas9/SpyCas9酶的活性。那么,这些“关闭开关”抑制SpyCas9活性的分子机制是怎样的呢?哈工大黄志伟教授研究组4月27日发表在Nature杂志上的论文(题目:Structural basis of CRISPR–SpyCas9 inhibition by an anti-CRISPR protein)回答了这一问题。【详细】

    值得一提的是,Jennifer Doudna教授团队7月12日发表在Science Advances上的一篇论文(题目:Disabling Cas9 by an anti-CRISPR DNA mimic)证实了“关闭开关”AcrIIA4能够降低Cas9编辑人类细胞基因组的脱靶效应。研究人员认为,这些anti-CRISPR可能成为一种控制脱靶效应的有效途径。【详细】

  • Cell:女神团队发现广谱CRISPR-Cas9抑制剂

    8月24日,Jennifer Doudna教授团队又在Cell杂志上发表了一篇题为“A Broad-Spectrum Inhibitor of CRISPR-Cas9”的论文。这次,他们找到了CRISPR-Cas9系统的一种广谱抑制剂,也就是“关闭开关”。

    具体来说这一研究发现,AcrIIC1 和AcrIIC3两种anti-CRISPR蛋白能够通过不同的策略来抑制Cas9酶。研究证实,AcrIIC1是一种广谱的Cas9抑制剂,它可以通过直接结合到Cas9酶保守的HNH催化域来阻止多种不同Cas9同源(multiple divergent Cas9 orthologs)的DNA切割。AcrIIC1-Cas9 HNH域复合物(AcrIIC1-Cas9 HNH domain complex)的晶体结构揭示了AcrIIC1是如何限制Cas9酶的。相比而言,AcrIIC3能阻断单个Cas9同源(Cas9 ortholog)的活性,在阻止Cas9绑定靶向DNA时诱导了Cas9的二聚化。

  • 泼冷水!Nature子刊“大发现”:CRISPR可引发数百种“意外突变”

    5月30日,在线发表于Nature Methods杂志上题为“Unexpected mutations after CRISPR-Cas9 editing in vivo”的一篇论文给CRISPR“泼了盆冷水”。借助全基因组测序,研究人员发现,这一革命性的基因组编辑技术能够引入数百种意想不到的突变到基因组中。该论文的发表引发了不小的轰动。之后,有很多科学家对这篇论文提出了质疑,甚至要求《自然》杂志将该论文撤稿。不过目前还没有对这篇论文的最终处理结果。

  • 张锋:想用“魔剪”CRISPR治疗人类疾病,没那么简单

    7 月31日,发表在Nature Medicine上题为“Implications of human genetic variation in CRISPR-based therapeutic genome editing”的研究中,张锋等科学家发现,我们DNA中的天然差异可能会通过阻碍Cas9酶作用于正确的基因目标,从而削弱CRISPR技术精准编辑人类基因组的能力。对这一问题严重程度的分析将对如何在临床试验中测试基因组编辑技术,以及是否这类技术能够被广泛应用产生重要的影响。

    作者们认为,包括GUIDE-seq、CIRCLE-seq等在内的一些筛选策略能够揭示CRISPR系统中RNA导向的核酸酶的脱靶切割活性,应该被用于寻找针对特定疾病的、最好的导向RNA和内切酶组合(guide RNA–enzyme combination)。他们强调,全基因组测序将对匹配患者遗传变异和最有效导向RNA至关重要。

受篇幅限制,经过艰(精)难(挑)抉(细)择(选),小编选出了以上25项进展与大家分享。点击【CRISPR】【基因编辑】了解更多CRISPR技术2017年的研究进展、时政和产业动态等内容。

最后,小编唠叨几句,一眨眼,一年一度的诺奖又要来了。之前几年CRISPR获奖的呼声一直很高。Jennifer Doudna教授、Emmanuelle Charpentier教授、George M.Church教授以及张锋教授先后都入选了有着诺奖风向标之称的汤森路透“引文桂冠奖”。那么,今年CRISPR究竟能否拿下这一大奖呢?我们一起拭目以待吧!