“我的導師是 CRISPR 基因編輯技術先驅之一張鋒教授的學生，沒想到我們團隊在同一天和張鋒教授團隊‘背靠背’發表了論文。有意思的是，兩篇論文的作者中直接出現了張峰、他的學生、他學生的學生。

　　這是目前為止我做過最有意思的課題了，我将在細菌裡不太好用的東西直接放進人源細胞強行工程化，得到了意外的結果，果然是‘大力出奇迹’。”談及這項在 Science 發表的論文，麻省理工學院（MIT）生物工程系博士生姜凱議如是說。

　　圖丨姜凱議（來源：姜凱議）

　　近期，東京大學與 MIT 團隊合作，将 CRISPR 系統中 Cas7-11 的結構和作用機制進行解析，并将該系統在可編程的 RNA 傳感上應用。他們成功驗證了 Cas7-11–Csx29 效應器為 RNA 依賴性核酸酶-蛋白酶系統。而且，還作為細菌抗衡噬菌體免疫系統的關鍵組成。

　　該研究展示了 RNA 級别的防禦工具不再停留在 RNA 階段，而是已經進化出蛋白級别的防禦工具，未來有望用于癌細胞及特定細胞亞型的檢測。

　　圖丨相關論文（來源：Science）

　　11 月 3 日，相關論文以《通過 III-E 型 CRISPR 核酸酶蛋白酶，RNA-觸發的蛋白質裂解和細胞生長停滞》（RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease）為題發表在 Science 上[1]。

　　東京大學結構生物學系項目講師加藤一樹（Kazuki Kato）、岡崎紗繪（Sae Okazaki）和 MIT 大腦與認知科學系博士生凱恩（Cian Schimit-Ulms）、生物工程系博士生姜凱議為該論文的共同第一作者，由東京大學結構生物學系教授西増弘志（Hiroshi Nishimasu）、MIT 生物工程系教授喬納森·古騰堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奧馬爾·奧·阿布達耶（Omar O.Abudayyeh）擔任該論文共同通訊作者。

　　源于“大力出奇迹”的有趣研究

　　該團隊揭示了 Cas7-11、CSX29、CSX30 以及 RPOE 在細菌免疫系統的重要影響。有意思的是，CRISPR-Cas 系統蛋白的發現是在該團隊純化蛋白階段時意外發現的。在細菌裡表達 Cas7-11 時，他們發現在質譜上突然多了一個蛋白，但并不了解該蛋白出現的原因。

　　在研究伊始階段，東京大學的研究人員想從結構生物學角度，通過純化蛋白揭示出未知蛋白的全貌，以及它和 Cas7-11 相結合的原因。而 MIT 團隊的研究重點偏工程化，較多地探索應用和治療方面的研究。

　　因此，他們從工程的角度，在完全沒有預設的前提下大膽地進行了蛋白優化和工程化的嘗試。由于在生物領域中很少會遇到在純化蛋白時，同時純化出沒有意義的額外蛋白的現象。因此，喬納森·古騰堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奧馬爾·奧·阿布達耶（Omar O.Abudayyeh）堅定地認為這不是巧合。

　　圖丨在低溫冷凍電鏡下的 Cas7-11-crRNA-C 結構以及帶有、不帶有靶 RNA的x29複合物（來源：Science）

　　實際上，在 CRISPR 領域，細菌和噬菌體已“對抗”對年，由于二者長時間的敵對進化關系，細菌進化出很多高級的免疫系統，來防止噬菌體把它們殺死或者噬菌體的 DNA 和 RNA 進到其體内。

　　該團隊推測，除了 Cas9 等對 DNA 進行切割門以外，細菌已經開發出來更高級的、RNA 級别的防禦工具。在得到猜想後，他們通過測序基因進行深入探索。

　　姜凱議指出，該研究的“大力出奇迹”體現在整個系統全都被模塊化地拆開後，盡管還不了解它在細菌中的作用，仍然直接把它放到人源細胞内，然後慢慢地摸索出蛋白互相合作的機制。

　　緊接着，他們将這些從工程角度得到的結論再交還給東京大學的結構生物學家，來尋找新的蛋白，進而發現整個複雜的系統和不同的特點。也就是說，在研究開始前他們已經了解到，這種 RNA 級别的防禦工具也許比預期的更高級。

　　圖丨Cas7-1l 與 Csx29 的相互作用（來源：Science）

　　CRISPR 領域緻力于探索可編程的系統，姜凱議認為，合成生物學的一大特點是把細胞裡的各種蛋白、RNA、DNA 當成元件來重組和優化。

　　在以往的研究中，通常将細菌類蛋白局限于在細菌中證明其有望實現可編程。而該研究則是一種全新的做法，為了證明這套系統的可編程性，研究人員同時把它放到人源細胞中，來确定其是否可重新編程。

　　其實，在尋找細菌的免疫系統時，可編程性強是衡量是否為優秀的指标之一。他解釋說道：“可編程也就是說可以把這些元件拆分出來，然後放到不屬于它們的環境中（例如人源細胞）進行重組、工程化，從而完成相關目标。”

　　有望應用于體外診斷的下一代細胞療法和快篩

　　實際上，蛋白的切割的速度遠超過 RNA 和 DNA，蛋白在切割後瞬間可以産生殺死細胞等效果。因此，該研究通過解析可切割蛋白的酶，展示出在細菌多年與噬菌體的“較量”中，已進化出之前完全沒有想象的防禦級别的工具。

　　“這也就意味着，基因組裡仍有很多未知的、未嘗試過的蛋白可能成為各種高級細菌的防禦系統，也鼓勵該領域的研究人員在基因組中，繼續尋找更優化的系統。”姜凱議說。

　　随着全球新冠疫情流行，讓更多人了解到 mRNA 疫苗與 mRNA 療法。但其發展仍然收到限制，因為它的一大問題是很可能在不想讓它表達的細胞中進行了表達。也正因為這樣，該領域的科學家一直在尋求合适的方法，讓 mRNA 的表達局限在某些特定的細胞中，甚至不隻是 mRNA 遞送。

　　姜凱議指出，從 RNA 傳感的角度來說，mRNA 療法和 DNA 的基因編輯療法都可能強調如何能把它局限在某些細胞内，而能做到這點唯一方法便是 RNA 傳感。

　　從化學的角度來說，上一個十年科學家投入了大量精力來優化小分子、大分子、遞送系統等，但是他們發現這些化學的手段沒辦法做到很高級的邏輯，而細胞和細胞間個體的差異完全體現在 RNA。

　　“在下一個十年，如果科學家開發出性能高的 RNA 傳感系統，便能設計出更高級的邏輯門。也就是通過帶有計算性的療法，來确定隻在某一類細胞中的表達。”姜凱議說。

　　圖丨Csx29 通過 RNA-觸發 Csx30 切割（來源：Science）

　　該研究揭示了這套系統進化的原因，并展示了它是一套細菌的快速自殺系統，可以讓細菌被噬菌體感染後迅速地殺死自己。從進化和生物學的角度來看，該研究尚未弄清楚信号通路的下遊，例如其經曆了哪些步驟完成了自殺的行為，這也是該團隊正在研究的方向。

　　“我将繼續工程化這套系統來做更好的 RNA 傳感，包括整套系統。與此同時，因為該系統是蛋白切割，所以體外的診斷是其應用方向之一。”姜凱議說。

　　目前市場上用于檢測新冠肺炎的試劑盒利用聚合酶鍊式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）進行測試，而蛋白級别的 RNA 工具的作用之一是把 RNA 檢測傳到某些蛋白上，比如用熒光蛋白可更快地檢測出結果。

　　“更高效的試劑盒可能在室溫下便可起效，而不需要進到實驗，去做那些需經複雜步驟的 PCR 檢測。因此，下一代診斷的細胞療法和快篩很有可能從這些 CRISPR-Cas 系統中誕生。”姜凱議說。

　　緻力于開發更好的 RNA 傳感系統，期待細胞算力的指數級增長

　　最近，合成生物學剛剛經曆了“火熱”的階段。當人們冷靜下來思考，科學家設計的這些系統到底如何能更好地幫助人們解決疾病等現實問題呢？

　　姜凱議認為 ，除了在學術前沿不斷地尋找更好的編程系統，包括風投在内的業外人士也都在推動整個領域向前發展。因此，他認為該領域未來有更多的可能。

　　當前，生物領域已經進入到指數增長的時代，人們在得到單細胞測序的海量數據後，技術的研發卻相對滞後，因此如何利用這些數據成為該領域的關鍵問題。

　　細胞相當于生物領域中的“電腦”，姜凱議認為，更好地利用“細胞電腦”來做更高級别的運算是未來發展的趨勢。無論是治病還是做檢測，合成生物學下一個二十年可能會發現，在細胞上的算力也開始出現指數級别的增長。因此，他希望能設計出來一些新系統，讓人類能與病毒的計算能力進行“較量”。

　　“從單細胞測序可以看出，人體之間盡管基因相同，但是其産出的 RNA 可能會導緻腫瘤的構造完全不同。因此，一旦 RNA 傳感系統達到一定高度，我們可以利用單細胞測序的信息來設計更好的個人療法。”他說。

　　圖丨姜凱議與其所在 MIT 團隊合影（來源：姜凱議）

　　姜凱議本科就讀于美國萊斯大學生物工程系，正是在那時他接觸到合成生物學，并在其導師卡列博·巴沙爾（Caleb Bashor）的幫助下，了解到該領域多樣的工具。他發現，人們将包括基因編輯、CRISPR 系統在内的合成生物學想得過于局限，而他始終認為合成生物學的概念其實可以被定義得更廣，特别是可編程系統有無限可能。

　　姜凱議在 MIT 的博士階段接觸到 CRISPR，其博士導師喬納森·古騰堡（Jonathan S.Gootenberg）以及奧馬爾·奧·阿布達耶（Omar O.Abudayyeh）做實驗時更偏向天馬行空地進行猜想。“我們經常在完全沒有任何理論依據，或者沒有數據模型和數據的支持的情況下，去閱讀那些 80、90 年代的文獻來讨論是否可重新編程新系統。”姜凱議說。

　　就在上周，姜凱議與其所在團隊在 Nature Biotechnology 上發表論文，他們開發出一款基于 CRISPR 基因編輯的長段 DNA 插入系統，利用該系統能将 36000 個 DNA 堿基對的基因傳遞到人類細胞和小鼠肝細胞[2]。

　　對于個人未來的發展的選擇，他持開放性态度，例如導師們希望他從事高校教職工作。同時他認為，其所在團隊開發的技術在未來有望進入臨床治療或設計出更好的疫苗來解決實際問題。因此，加入創業公司、大型藥企将技術落地在臨床及相關産品是他的另一種選擇。

　　參考資料

　　1、Kazuki Kato，Sae Okazaki，Schimidt-Ulms，Kaiyi Jiang et al. Science 378，6622，882 - 889（2022）. htt

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