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“这项研究在拓展人们对 CRISPR 系统多样性的认知以及解决 CRISPR 效应子体内应用难题两方面，具有相当重要的意义。我们首次阐明 III-E 型 CRISPR 效应子结构和功能之间的联系，并进一步明确了它独特的进化地位，同时还为 Cas7-11 的工程化改造提供了重要信息，令其截短体能够在体内以 AAV（adeno-associated virus，腺相关病毒）为载体发挥功能。”来自麻省理工学院（MIT）麦戈文脑研究所阿布达耶-古滕贝格（Abuddayeh-Gootenberg）实验室的博士后研究员周文渊表示。
图 | 周文渊（来源：周文渊）
近日，MIT 阿布达耶-古滕贝格团队联合东京大学西增实验室解析了 Cas7-11 与 crRNA 及其靶 RNA 复合物的结构，并以此为基础开发了一种紧凑型 Cas7-11 变体（Cas7-11S），不仅解决了之前 Cas7-11 因为编码序列过长而难以实现体内递送的难题，而且可被用于人类细胞转录本敲低的单载体 AAV 包装，以实现更精确的 RNA 编辑，从而帮助治疗一些暂时性的疾病。
相关论文以《III-E 型 CRISPR-Cas7-11 效应器复合物的结构和工程》（Structure and engineering of the type III-E CRISPR-Cas7-11 effector complex）为题在 Cell 上发表，周文渊博士为共同第一作者，东京大学高级科学技术研究中心结构生物学系教授 Hiroshi Nishimasu 担任共同通讯作者。审稿人认为，这项工作对于拓展人们对于 CRISPR/Cas 家族蛋白的结构和功能的认识具有重要意义。
据了解，Cas7-11是有双重 RNase（Ribonuclease，核糖核酸酶）活性的III-E 型 CRISPR-Cas 效应子，由 Cas7.1–Cas7.4、Cas11、INS 和 CTE 七个域和四个域间链路组成，可用于细菌和哺乳动物中的 Pre‑crRNA（前体 CRISPR RNA）加工以及 crRNA 指导的 RNA 裂解。详细来说，Cas7-11 是由多个 Class 1 CRISPR 效应子在漫长的进化过程中相互融合，最终形成的一个单蛋白效应子。
该团队于 2021 年首次发现 Cas7-11，当时他们就 Cas7-11 具有融合多个 Class 1 效应子的独特进化地位，采用生物信息学手段对其各个亚基发挥功能的方式进行了以下推测：这些亚基是否仍然保留原始的功能？它们在组合形成融合蛋白后又将以什么样的方式来实现对靶标 RNA 的精准切割？这些亚基在结构和功能上的联系是否会对 Cas7-11 的工程化有所助益？
为揭开这些问题的答案，研究人员尝试对其展开进一步的结构生物学和生物化学研究，并决定同专长于冷冻电镜技术且对 CRISPR 系统有长期研究积累的东京大学西增实验室开启合作。经过与西增实验室的密切合作，最终他们得以在一年内顺利完成了该研究。
图 | Cas7-11 结构域的结构（来源：Cell）
研究中，该团队发现，Cas7-11 的各个组成部分与它们所来自的 Class 1 效应子高度同源，并且各司其职，相互配合完成对 pre-crRNA 和靶标 RNA 的准确切割处理。
而且，实验表明，crRNA 与靶标 RNA 之间的错配能够非常精确地影响 Cas7-11 对于靶标的切割方式。这一结果进一步体现了 Cas7-11 在进化和功能上的独特性，并且也体现了它高度的特异性，说明它具有体内应用的潜力。
此外，Cas7-11 对于靶标 RNA 的切割具有高度特异性和安全性。相较于目前的 Cas13 和 shRNA 而言，Cas7-11 展现出作为疗法的潜在优势。因此，如何将其缩小以便于通过AAV递送成为该团队的一个重要研究目标。
通过结构生物学信息，他们对 Cas7-11 进行了最小化的工程改造，为其在生物体内作为 RNA 调节和编辑的工具铺平了道路。据研究人员介绍，去除了冗余 INS 结构域的 Cas7-11 不但实现了以 AAV 作为载体的递送，同时还保留了对于靶标 RNA 切割的活性和特异性。
目前，该团队仍致力于进一步改造 Cas7-11，使之在多种的转录组调控过程中发挥更有效以及更具有多样性的作用。
图 | crRNA 和靶 RNA 的结构和识别（来源：Cell）
周文渊表示，Cas7-11 相比于其他 RNA 切除工具的一个重要特点是，其能够在高效切割体内靶标 RNA 的同时保持极高的安全性。因此，在基础科研领域，Cas7-11 有潜力作为新的转录组筛选工具，在不造成系统毒性的情况下，对靶标 RNA 的功能进行更加如实的报告；在基因疗法领域，Cas7-11 能够以 AAV 递送的形式在特定组织中发挥作用，对致病RNA进行安全的清除，这一过程既降低了脱靶效应可能带来的风险，又为瞬时、可逆的基因疗法创造了条件。
据了解，周文渊本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，期间曾在该校化学与分子工程学院化学生物学系主任、北京大学前沿交叉学科研究院副院长的陈鹏教授实验室进行科研训练，主要训练内容包括金属结合蛋白的结构生物学研究和生物传感器的开发。博士时期，他在匹兹堡大学化学系亚历山大·德特斯（Alexander Deiters）实验室进行科研工作，专注于利用化学生物学手段，来实现对于基因编辑工具和细胞内信号通路的光遗传学改造。
拿到博士学位后，周文渊奔赴 MIT 的Abuddayeh-Gootenberg 实验室展开 DNA 与 RNA 编辑的研究。现在，他在位于美国旧金山湾区的 Scribe Therapeutics 公司从事基因编辑疗法的工作，旨在推出更高效、更安全和更具有可及性的基因疗法，以应对当前和未来存在的各类未能得到满足的医疗需求。
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参考：1.Kazuki Kato et al. Structure and engineering of the type III-E CRISPR-Cas7-11 effector complex. Cell.（2022）网页链接cell.2022.05.003