“我們打造了首個(gè)真正意義上的‘RNA 手術(shù)刀’，這一創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了對于靶標(biāo) RNA 讀碼框的精準(zhǔn)改寫，支持任意長度的短片段刪除，為臨床復(fù)雜突變的修復(fù)提供了新的解決方案。”中山大學(xué)教授張銳表示。日前，他和團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款名為 SCISSOR 的新型 RNA 編輯工具。
SCISSOR 最直接的應(yīng)用場景是用于基因治療領(lǐng)域，因?yàn)槠涫状螌?shí)現(xiàn)了在 RNA 層面修改讀碼框編輯的能力。這一技術(shù)能夠直接修正蛋白質(zhì)編碼基因中的致病移碼突變。目前，移碼類遺傳疾病少有基因編輯工具可以修復(fù)，所以他們希望 SCISSOR 能為這類遺傳病帶來新的治療方案。
此外他們認(rèn)為在癌癥免疫治療領(lǐng)域，SCISSOR 也展現(xiàn)出巨大的潛力。比如，近期Nature報(bào)道了多項(xiàng)新抗原癌癥疫苗的臨床數(shù)據(jù)，證明了其在多種癌癥中的強(qiáng)大抗腫瘤能力。然而，傳統(tǒng)的 mRNA 癌癥疫苗技術(shù)需要對患者腫瘤樣本進(jìn)行深度測序分析，并合成個(gè)性化的腫瘤疫苗，這不僅成本高昂耗時(shí)，還可能受到新抗原免疫原性不穩(wěn)定性的影響。
相比之下，SCISSOR 通過精準(zhǔn)改變 mRNA 讀碼框，可以在腫瘤特異性表達(dá)基因中引入移碼突變，生成具有高免疫原性的新抗原。因此通過與 mRNA 疫苗的結(jié)合，SCISSOR 有望開發(fā)出適用于不同癌癥患者的通用型疫苗，或?qū)⒅厮苣[瘤免疫治療格局。
通過“欺騙”尺子，讓原本“死板”的“分子尺子”變靈活
據(jù)介紹，基因編輯作為近年來生命科學(xué)中最重要的技術(shù)之一，在疾病治療，尤其遺傳疾病、各類慢性病和腫瘤治療中有無限的潛能和優(yōu)勢。
可以預(yù)見的是，在未來 5-10 年傳統(tǒng)的遺傳疾病和罕見病治療，以及一些威脅人類健康的慢性病、老年病和腫瘤的治療理念將被徹底顛覆，基于基因編輯的醫(yī)療在不遠(yuǎn)的將來有望幫助到無數(shù)病患者。
基因編輯根據(jù)靶標(biāo)不同，可以分為 DNA 編輯和 RNA 編輯。目前最流行的基于 CRISPR-Cas9 的 DNA 編輯技術(shù)帶來的是永久水平的遺傳物質(zhì)的改變，在 DNA 和 RNA 水平都有一定的脫靶效應(yīng)，因此在臨床應(yīng)用和藥物開發(fā)方面針對不同類型的疾病還需要不斷的優(yōu)化和摸索。
相對于 DNA 編輯，RNA 編輯在 RNA 水平修復(fù)突變，不改變基因組序列、可逆可控，并具有更安全的特性，在某些疾病場景下有巨大的優(yōu)勢。
因此，該實(shí)驗(yàn)室致力于開發(fā) RNA 層面的各種 RNA 靶向編輯工具，用于致病突變修復(fù)，以及在 RNA 的各個(gè)層面調(diào)控致病基因。
新冠疫情之前，張銳實(shí)驗(yàn)室主要集中在 ADAR 蛋白內(nèi)源性 A-to-I RNA 編輯的基礎(chǔ)研究。但是，新冠的爆發(fā)讓張銳開始對自己實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究到底能夠在多大程度上對人類健康有促進(jìn)作用有了更多的思考。
特別是 mRNA 疫苗的研發(fā)觸動了張銳對于 RNA 療法的思考，所以 2021 年張銳實(shí)驗(yàn)室下決心開始從事靶向 RNA 編輯領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)和其潛在的臨床應(yīng)用。
其希望能把實(shí)驗(yàn)室之前對 ADAR 和 RNA biology 的理解應(yīng)用到靶向 RNA 編輯領(lǐng)域。因此，他們從最開始基于招募內(nèi)源 ADAR 的單堿基 RNA 編輯，逐漸擴(kuò)展到各式各樣的 RNA 編輯工具的開發(fā)。
相較于 DNA 編輯，RNA 編輯避免了遺傳信息的永久改變，具有可逆性與可控性的特點(diǎn)，這極大地提升了基因編輯技術(shù)的安全性。因此，在張銳看來，RNA 編輯最大的應(yīng)用場景就是疾病治療。
具體再到 SCISSOR 技術(shù)的研究背景，因?yàn)槟壳鞍邢?RNA 編輯的研究絕大多數(shù)都集中在單堿基 RNA 編輯工具的開發(fā)和優(yōu)化，但是很多遺傳疾病或者腫瘤上的突變都是移碼突變。這種類型的突變無法用現(xiàn)有的單堿基 RNA 編輯工具修復(fù)。
因此，他們一直希望開發(fā)更為靈活的 RNA 編輯系統(tǒng)，希望它能像 DNA 編輯領(lǐng)域中的 prime editing 系統(tǒng)那樣強(qiáng)大。圍繞這一目標(biāo)，他們開展了許多嘗試。但是，由于 RNA 和 DNA 不一樣，導(dǎo)致他們?nèi)狈?RNA 內(nèi)源性的修復(fù)機(jī)制的了解，所以進(jìn)展頗為緩慢。
直到 2023 年一篇預(yù)印本論文揭示了 III 型 CRISPR-Csm 復(fù)合體可通過內(nèi)源 RTCB 酶實(shí)現(xiàn) RNA 剪切后的原位連接。但是，這篇文章中的 Csm 復(fù)合物在細(xì)胞內(nèi)刪除的長度被嚴(yán)格限制為 6 個(gè)堿基的倍數(shù)。CSM 復(fù)合物把 gRNA 當(dāng)作一把“尺子”，有著非常固定的刻度來規(guī)定 CSM 的切割位置。這把“尺子”要求只能對 6、12、18 個(gè)堿基這種固定長度進(jìn)行切割，這與臨床上需求千變?nèi)f化的編輯長度不相符，應(yīng)用場景也非常窄。
他們意識到，若能改變 CRISPR-Csm 的靶向切割方式，或能突破 RNA 靈活編輯的瓶頸。為解決這一問題，他們決定采用一種“欺騙”尺子的策略。如果通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使 gRNA 和靶標(biāo)無法完全配對，就如同把“尺子”架在凹凸不平的地面上測量，自然會產(chǎn)生刻度偏差。
例如，原本要切割 6 個(gè)堿基的位置，因?yàn)橐粋€(gè)凸起結(jié)構(gòu)的干擾，實(shí)際可能切割 5 個(gè)或者 7 個(gè)甚至更大的數(shù)目的堿基。通過精心設(shè)計(jì)這些特殊的結(jié)構(gòu)，他們終于讓這把原本“死板”的“分子尺子”變得靈活起來，這便是 SCISSOR 技術(shù)的核心思想。
正在針對 SCISSOR 系統(tǒng)進(jìn)行深度優(yōu)化
事實(shí)上，他們從 2021 年開始進(jìn)入靶向 RNA 編輯領(lǐng)域這個(gè)領(lǐng)域，最開始開展了許多嘗試，但是大多數(shù)嘗試都以失敗告終，不管是單堿基 RNA 編輯方面的課題還是靈活編輯 RNA 的課題都幾乎“顆粒無收”。
比如這篇論文中其中一名一作學(xué)生最開始嘗試三個(gè)課題都沒有成功。但是，大家一直沒有放棄嘗試，并且隨著對于相關(guān)領(lǐng)域越來越熟悉，他們產(chǎn)生了自己的見解。
所以當(dāng) 2023 年那篇預(yù)印本論文出來時(shí)，也是上述學(xué)生把論文第一時(shí)間分享出來，然后他們基本在 2 天后就決定嘗試新課題。隨后，該實(shí)驗(yàn)室的一名研一學(xué)生進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，并在預(yù)實(shí)驗(yàn)之中取得成功。接著幾個(gè)學(xué)生一起努力，不到一年便成功開發(fā)出 SCISSOR，走出了構(gòu)建 RNA prime editing 體系的關(guān)鍵一步。
日前，相關(guān)論文以《類型 III CRISPR 介導(dǎo)的柔性 RNA 切除，使用工程化引導(dǎo) RNA》（Type III CRISPR-mediated flexible RNA excision with engineered guide RNAs）為題發(fā)在Molecular Cell（IF 14.50）。
該團(tuán)隊(duì)的研究生孫遠(yuǎn)帆、吳英尹、何梓華、王燚瑩及侯文豪是共同第一作者，張銳擔(dān)任通訊作者。
值得一提的是，就在今天本次論文的兩位共同第一作者參加了美國哈佛醫(yī)學(xué)院的“基因編輯一作論壇”并介紹了本次成果。
后續(xù)，他們希望聚焦以下三大方向，加速 SCISSOR 技術(shù)的突破與應(yīng)用。
首先，他們希望實(shí)現(xiàn)效率提升。眼下，他們正在對 SCISSOR 系統(tǒng)進(jìn)行深度優(yōu)化，希望提高其編輯效率。
其次，他們將打造智能設(shè)計(jì)平臺，其希望能夠通過產(chǎn)生大量 gRNA 切割的數(shù)據(jù)，集合深度學(xué)習(xí)算法，開發(fā) gRNA 智能設(shè)計(jì)平臺，最終只需輸入目標(biāo)基因序列，即可自動生成最優(yōu) gRNA 設(shè)計(jì)方案，使其能夠更容易的用于科研和轉(zhuǎn)化研究。
最后，其將開展在體編輯。因?yàn)?SCISSOR 系統(tǒng)較大，無法通過病毒載體進(jìn)行遞送，他們將重點(diǎn)發(fā)展基于 LNP 遞送 SCISSOR mRNA 和 gRNA 的 RNA 編輯策略，在細(xì)胞和體內(nèi)實(shí)現(xiàn) RNA 切除。具體來說，該團(tuán)隊(duì)希望利用靶向肝臟，肺部和腫瘤細(xì)胞的 LNP 遞送載體，探索 SCISSOR 在生物體內(nèi)的最佳編輯方案。在遺傳疾病方面，他們希望可以靶向諸如肝豆?fàn)詈俗冃曰蛘吣倚岳w維化遺傳病的移碼突變，修復(fù)其功能。在腫瘤免疫治療方面，他們預(yù)計(jì)今年將實(shí)現(xiàn) SCISSOR 介導(dǎo)的新抗原抗腫瘤療法在小鼠模型中的驗(yàn)證，為臨床應(yīng)用邁出關(guān)鍵的一步。
參考資料：
1.Sun, Y., Wu, Y., He, Z., Wang, Y., Hou, W., Cao, Y., ... & Zhang, R. (2025). Type III CRISPR-mediated flexible RNA excision with engineered guide RNAs.Molecular Cell, 85(5), 989-998.
https://gess.hms.harvard.edu/
運(yùn)營/排版：何晨龍
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