如今应用最广泛的“基因剪刀”/Cas存在于原核生物中，主要是指细菌。 2012年，法国科学家 和美国科学家 在《》杂志上发表文章，首次指出/Cas9系统可以在体外“固定”DNA切割，并具有修改基因的能力。 此后，科学家们一直想知道真核生物中是否存在类似的系统，这也促使了该系统的发现。
/Cas系统是原核生物的天然免疫系统。 有些细菌被病毒入侵后，可以在自己的DNA中储存一小段病毒基因。 这个存储空间称为DNA。 当病毒再次入侵时，细菌可以根据储存的片段识别病毒，并用“基因魔剪”剪掉病毒的DNA。 ，即聚集的规则间隔的短回文重复。 Cas蛋白是一种核酸内切酶，可以切割靶基因，例如Cas9和Cas12。 /Cas9系统是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的类别。
张峰.摄影/博大研究院
2021年9月，张峰团队在《科学》杂志上发表研究，重建了/Cas9系统的进化起源。 该研究在细菌中发现了一类新的核酸酶，即一类RNA引导的核酸酶，旨在编辑人类细胞中的基因。 这种新型核酸酶被称为“OMEGA”，其中包括一种称为 TnpB 的核酸酶。 研究推测TnpB可能是Cas12的祖先。
张峰团队6月28日的最新研究表明，TnpB也可能是真核蛋白质的祖先，推测该酶可能还具有基因编辑能力。 早在2013年，《 DNA》发表的一项研究就指出，这两种蛋白质有一些共同点，并推测这些共同点在基因表达的调控和天然化合物的合成中发挥着至关重要的作用。
在张峰团队的最新研究中，研究人员从真菌、藻类、阿米巴原虫等不同物种中分离出了蛋白质，观察到它们与TnpB蛋白和Cas12具有相似的结构。 研究人员认为，“紧凑系统”比 Cas/Cas 系统更容易用于特定细胞和组织。 通过提高靶向效率，这些系统可以成为编辑人类基因组的工具。
上海科技大学生命科学与技术学院教授、基因编辑中心主任陈佳告诉《中国新闻周刊》，这项研究发现了目前广泛使用的/Cas系统之外的一种新的基因编辑系统。 该研究的主要亮点在于，首次在真核生物中发现了RNA介导的基因编辑系统，真核细胞与人类细胞结构更加接近。 在陈佳看来，后续的基因编辑研究也可能会朝这个方向进行。 属于真核生物中的第一代“剪刀”，后续的第二代、第三代应该很快就会发展起来。
“这项研究为基因编辑提供了一种新的替代方案，这是该领域的重要进步。” 华中农业大学兽医学院教授张安定告诉《中国新闻周刊》，2012年在细菌中发现的/Cas系统是一个里程碑，相当于找到了细菌防御系统和新的基因编辑工具其中，张峰团队也做出了重要贡献。 然后他们开始寻找防御系统的来源，发现这个防御系统已经扩展到真核生物，这是一个比较大的突破。
/Cas9系统的工作部分包括Cas9和负责在基因组上精确定位的向导RNA。 通俗地说，Cas9和向导RNA就像一把“剪刀”和一把“尺子”。 “尺子”负责精确找到基因组上需要编辑的位置，“剪刀”则切割基因组。 靶基因的剪切编辑完成后，“剪刀”和“尺子”都会被细胞彻底去除。
对于任何基因编辑技术来说，靶位点的选择是首要问题。 在/Cas9系统中，只有位于PAM序列上游特定位置的切割点才能被准确识别和切割。 “Cas酶需要找到PAM序列来切割DNA，而蛋白质需要找到特定的TAM序列来切割DNA。从这一点来看，两者是相似的，因为切割偏好的序列不同，而且也有序列互补性。” 陈好说道。
它能取代/Cas“魔剪”吗？
在上述最新研究中，研究人员发现，在测试的四种蛋白质中，三种蛋白质编辑特定DNA序列的效率为11.8%。 该水平与早期版本系统相当，但低于优化后的系统。 然后，通过工程技术，研究人员在蛋白质中引入了特定的突变，使其活性提高了约 10 倍。
陈佳告诉《中国新闻周刊》，自2012年该系统被发现以来，全球许多实验室都投入巨资对/Cas系统进行优化和改造。 即使本作的编辑效率比原来高出10倍，仍然无法达到/Cas9目前的编辑效率。 然而，它有其自身的优点。 与蛋白质不同，它来源于真核系统，在临床治疗中可以避免不必要的免疫反应。 目前/Cas9系统已经比较成熟，未来通过优化，也可能实现更加精准高效的切割。
与某些系统和 TnpB 蛋白不同，研究人员观察到，真菌衍生的蛋白没有表现出“附带活性”。 附带活性是指当RNA引导的“剪刀”瞄准切割DNA时，相邻的DNA或RNA同时降解。 因此，蛋白质被认为更具特异性。
蛋白质冷冻电镜结构示意图。照片/张峰实验室
近日，张峰在接受外媒采访时表示，蛋白质体积比较小，含有400到700个氨基酸。 最常用的Cas9蛋白含有大约1000-1600个氨基酸。 “编辑器越大生活网资讯，将其传递到体内就越困难，”他说。 根据张峰团队2021年9月在《科学》杂志上的一项研究，一类名为“OMEGA”的核酸酶体积较小，约为Cas9的30%，它们可能更容易被递送到细胞中。
在陈佳看来，很多基因编辑系统在实验室水平上运行良好，但当达到人体临床试验水平时，编辑效率不一定高。 造成这个问题的主要原因在于交付过程。 当系统地编辑基因时，这些大蛋白质需要通过载体运送到体内的精确位置才能发挥作用。 与Cas9相比，该蛋白体积小，递送过程更加灵活便捷。
在张安定看来，基因编辑工具的选择取决于实际应用的目的，基因编辑效率和脱靶是重要考虑因素。 尽管/Cas系统已得到广泛应用，但它并不是“一体化”的。 其在一些细胞中的效率不高，并且存在脱靶等安全风险。 蛋白质更小，在某些情况下使用时可能更有利。 “该研究没有提及该蛋白是否能够避免潜在的脱靶问题，但可能与Cas相同，还需要后续研究来进一步提高基因编辑活性，减少潜在的脱靶问题。” 他说。
“到目前为止，还没有超越的技术。在应用上取代/Cas系统还有很长的路要走。” 中国农业大学生物学院教授陈启军告诉《中国新闻周刊》，虽然该系统在基因治疗药物递送方面有优势，但如果编辑效率不高、靶点过于有限，在医疗应用中很难超越/Cas。
目前尚无基因疗法获得批准
基因编辑技术无疑是生物技术领域最具革命性的突破之一。 2020年，卡彭蒂埃和杜德纳因发现“基因剪刀”/Cas9共同获得诺贝尔化学奖，距离该技术发明还不到10年。
张峰无缘诺贝尔奖，却赢得了专利纠纷。 2013年初，张峰等人。 首次成功将/Cas9技术应用于哺乳动物和人类细胞的基因编辑。 同年，丘奇在《科学》杂志上发表了研究，该研究还表明该系统可用于人类细胞的基因组编辑。
这些进展极大地促进了Cas9技术的推广应用。 2013年以来，张峰与上述两位诺贝尔奖获得者基于该技术创办了多家公司。 自此，张峰与杜德纳、卡彭蒂埃等人之间著名的专利纠纷拉开了帷幕。
2022年2月，美国专利商标局裁定张峰团队拥有在真核细胞中使用基因编辑技术的专利。 这意味着张峰和他的博德研究所在美国拥有将Cas9技术应用于所有真核生物，包括植物、动物和人类的专利。 这是技术商业化最核心的专利之一。
近年来，科学家们在/Cas9治疗疾病领域不断探索。 2020年，四川大学华西医院肿瘤科陆游团队在《 》发表I期临床试验结果，表明用Cas9技术治疗难治性非小细胞肺癌患者是安全可行的。
在陈佳看来，基因编辑疗法目前在地中海贫血、镰状细胞性贫血等血液遗传病的治疗中处于前沿，国内外多个关键治疗管线已进入临床阶段。 此外，目前通用型CAR-T结合基因编辑疗法的研究进展也比较快。
2022年3月17日，国家药监局药品审评中心官网显示，南京北恒生物科技有限公司自主研发的细胞注射剂产品获得国家药监局默示许可。临床试验。 该产品是一种通用型CAR-T，用于治疗成人复发或难治性B细胞急性淋巴细胞白血病。 这是国内首个基于基因编辑技术的免疫细胞治疗产品。
丘奇告诉《中国新闻周刊》，该药物的商业前景与其他数百种核酸内切酶类似。 不过，距离真正的商业应用似乎还有很长的路要走。 因为即使有了已经取得大量临床研究进展的/Cas技术，目前批准的相关基因疗法数量仍然为零。
“到目前为止，美国食品和药物管理局（FDA）批准的基因疗法有12种，没有一个涉及。” 表示，这一情况将于2023年12月8日发生改变，目前有相关基因疗法正处于生物制剂许可申请（BLA）阶段。 一般药物完成III期临床试验并验证安全性和有效性后，即可正式向FDA提交BLA申请。
6月8日，美国食品药品监督管理局（FDA）宣布接受名为exa-cel疗法的生物制剂许可申请。 该疗法由美国制药公司与瑞士基因编辑公司联合开发，用于治疗重症镰状细胞病和输血依赖性β地中海贫血，可帮助患者有效摆脱输血和血管危机。梗阻。 据美国Verte制药公司当天发布的新闻稿称，“该疗法有望成为首个获批的基因编辑疗法”。 创始人是因基因编辑获得2020年诺贝尔化学奖的。
为什么真正能够获得批准的基因疗法如此之少？ 解释说，它主要用于“减法”，即对目标基因进行剪切和编辑。 他说，一般来说，遗传性血管性水肿等显性疾病可以通过减少突变等位基因来治疗，但这种情况非常罕见。 疾病治疗通常需要“加”。 比如所有的衰老基因治疗都是添加基因。 在许多情况下，疫苗制备需要添加一种或多种外源基因。
“基因编辑的工具箱越大，可供选择的选项越多，对科学研究和临床治疗的帮助就越大。” 陈佳说道。 在他看来，如果未来核酸内切酶仅用于基因编辑治疗，也将面临与/Cas9相同的风险； 如果以此为平台开发新型碱基编辑器等，则可能实现更安全的基因编辑治疗。
碱基编辑系统可以实现单核苷酸精确的DNA或RNA编辑。 6月27日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞在《细胞》杂志上发表研究，利用AI辅助结构预测，开发了一系列新型碱基编辑工具，在小鼠细胞系中成功实现高达43.1%的编辑效率，解决了传统碱基编辑器体积过大难以交付的问题。
在看来，基于系统的基因编辑疗法未来也可能获得FDA的批准。 “然而，许多新的RNA可编程系统，无论是天然存在的还是人工的，只占很小的比例，相应地，简单的附加基因治疗方法正在迅速发展。” 教堂说。
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