近日，基因編輯領域先驅張鋒教授團隊在頂尖學術期刊《自然》上發表突破性研究，該團隊在動物中發現能對人類基因組進行編輯、類似于CRISPR的基因編輯系統。其中的Fanzor蛋白是首次在真核生物中發現受RNA引導的DNA切割酶！根據麻省理工學院（MIT）新聞稿，通過進一步的優化，Fanzor有望成為較現有CRISPR/Cas系統更為精確、更易被遞送至人類細胞的基因編輯工具！

Fanzor蛋白的發現

CRISPR-Cas最早是在原核生物（即細菌和其他缺乏細胞核的單細胞生物）中被發現的。長久以來，包含張鋒教授在內的科學家一直想知道類似的系統是否也存在于真核生物（包含藻類、真菌、動植物在內具細胞核的生物）當中。在探索這個問題的過程中，張鋒教授團隊在2021年于《科學》雜志上報道了在部分微生物基因組中的轉座子（transposons），存有一類新的RNA引導核酸酶，并將之命名為OMEGA。轉座子也被稱為“跳躍基因”，因為它們可以在整個基因組中移動和復制、粘貼自己。

通過進行分子系譜的分析，張鋒教授團隊發現OMEGA家族中的TnpB蛋白可能是CRISPR-Cas12內切酶以及真核生物蛋白Fanzor的祖先，這使得科學家懷疑也許Fanzor也具有基因編輯的能力。論文的共同第一作者MakotoSaito博士便主導了對Fanzor蛋白生化特性的分析，并證實這類蛋白是可切割DNA的核酸內切酶，具有類似Cas內切酶中用以讓指導RNA（gRNA）滑入的溝槽，其可利用鄰近被稱為ωRNA的非編碼RNA（non-codingRNA）對基因組中的特殊位點進行靶向切割。

通過使用公開的遺傳學數據庫，團隊成員發現在包括藻類、真菌、植物和某些軟體動物在內的一系列生物中皆存有Fanzor蛋白的證據。此外，他們還在包含巨型病毒的一些病毒中發現這類蛋白。通過低溫電子顯微鏡以達2.7?的解析度對真菌Spizellomycespunctatus中的Fanzor蛋白（SpuFz）進行結構解析時發現，Fanzor和TnpB、Cas12蛋白的核心區域具保守性，顯示Fanzor是存于真核生物、類似于OMEGA的系統，證明RNA引導的核酸內切酶不僅存在于原核生物，亦存在于真核生物內。

“RNA引導的核酸酶比我們預想的更加豐富和廣泛。它們不是CRISPR系統所獨有的，也不僅限于原核生物中的轉座子，可能還存有更多的可能。”康奈爾大學研究員AilongKe博士在寫給行業媒體Endpoints的郵件當中評論道。

Fanzor蛋白的特性

進一步分析時發現，Fanzor蛋白可對人類細胞基因組的特定位點進行靶向的插入（insertions）與缺失（deletions）編輯。在所檢測的4種蛋白中，有3種的RNA-Fanzor內切酶配對組可以高達11.8%的效率對特定DNA序列進行編輯，而實際的效率則取決于所使用的蛋白類型及其靶向的基因。這一水平與早期版本的CRISPR系統相當，但低于目前優化過后的系統。

Fanzor蛋白的低溫電子顯微鏡圖

通過工程化技術，研究人員對SpuFz蛋白作進一步的優化，并確定了三個可以改進此蛋白基因編輯效率的突變，使之能夠對其中一個靶標達到18.4%的編輯效率，盡管大多數靶標的編輯效率仍僅有約10%到15%。然而，當研究人員將突變組合引入到蛋白質中時，可使其活性提高約10倍。

在今日《自然》研究發布的兩周前，原張鋒教授團隊成員OmarAbudayyeh和JonathanGootenberg博士在預印本bioRxiv上發布了類似的研究，并將所發現的蛋白命名為HERMES（Horizontally-transferredEukaryoticRNA-guidedMobileElementSystems）。兩位科學家的研究多聚焦于尋找真核生物中不同類型的Fanzor蛋白并對其進行分類。此外，他們還發現這類蛋白含有核定位信號（nuclearlocalizationsignals）與含有基因的內含子（genescapturedintrons），顯示這類蛋白具有廣泛、長期適應真核細胞功能的特征。

Fanzor蛋白的潛在優勢

與一些CRISPR系統和OMEGA蛋白TnpB相比，張鋒教授團隊發現真菌來源的Fanzor蛋白并沒有表現出“附帶活性（collateralactivity）”。附帶活性指的是當RNA引導的內切酶靶向切割DNA時，會同時降解鄰近的DNA或RNA。因此Fanzor蛋白具有被開發為更具專一性、更有效率基因編輯器的潛力。

與最常被使用于CRISPR系統的Cas9蛋白（約含1000-1600個氨基酸）相較，Fanzor蛋白同時也具有較小的尺寸，僅含有400-700個氨基酸。當基因編輯器的尺寸越大便越難以被遞送入體內。像是堿基編輯（baseediting）和先導編輯（primeediting）這類下一代基因編輯器是通過將Cas9與其他酶相結合以達成對基因組更精準的調控，因此內切酶的尺寸大小對這類編輯器的開發尤為關鍵。

Broad研究所所長ToddGolub博士

雖然距離Fanzor蛋白被應用于療法開發仍有一大段路要走，也需要更多的科學研究對此蛋白進行優化。然而在真核生物中所發現的基因編輯系統，具有更能在如人類基因組這樣大型、復雜系統高效運作的潛在能力。正如同Broad研究所所長ToddGolub博士在2022年藥明康德全球論壇上所表示，堿基編輯和CRISPR介導的基因編輯將擁有無限潛力。同時并鑒于CRISPR技術在短短10年內的飛速進展，且有望于今年迎來首個療法，我們期待Fanzor蛋白能夠在不久的將來在醫學上獲得實際應用，造福廣大患者。