张锋《自然》重磅：首次在真核生物中找到类Cas蛋白

今日，《自然》杂志刊登张锋团队新研究成果，研究者首次在真核生物中找到受RNA引导的核酸内切酶Fanzor（Fz），并可组装能对人类基因组进行编辑的类CRISPR/Cas系统，经初步改造编辑活性可达18.4%。该蛋白的真核起源和较小体积，都预示着它可能具有比目前CRISPR/Cas更广阔的应用场景。

论文题图

毫不夸张地说，CRISPR/Cas的出现为生物学发展带来了巨大的变革，起源于原核生物的CRISPR也让人好奇，是否在真核生物中也存在类似的系统。

2021年，张锋团队在《科学》发文，他们发现了一种类CRISPR系统OMEGA（obligate mobile element–guided activity）。OMEGA系统由转座子末端转录的非编码RNA（ωRNA）和内切酶组成，其中3种转座子编码蛋白IscB、IsrB、TnpB是天然存在的RNA引导的核酸酶，且IscB和TnpB分别为Cas9和Cas12的可能祖先。

而早在2013年，Fanzor蛋白就被报道为一种真核TnpB-IS200/IS605样蛋白，这不由得让人怀疑，Fanzor就是那个我们还未知的真核生物中的Cas。

经公开遗传数据库搜索，研究者发现Fanzor蛋白广泛存在于真菌、原生生物、节肢动物、软体动物、巨病毒等物种，可分为Fz1和Fz2两种不同的独立起源，并发现了细菌TnpB向真核生物水平转移并进化为Fanzor的痕迹。

与TnpB和Cas12的结构对比可以看出，Fanzor结构与它们非常相似，这无疑说明Fanzor可能具有类似的功能。

Cas12、TnpB、Fanzor的结构对比

研究者猜测，Fanzor可能以ωRNA 3端侧翼序列为向导RNA，在目标DNA序列执行切割功能。为此，他们构建了Fz OMEGA系统，并与质粒文库匹配进行切割实验。

实验结果可见，不同Fanzor蛋白具有特定的切割模式，并具有针对双链DNA（dsDNA）的特异性。

不同Fanzor蛋白具有特定的切割模式

Fanzor表现出ωRNA引导的、TAM和靶序列依赖的dsDNA切割

研究者在人类细胞中测试了Fz OMEGA的编辑效率，针对8个不同基因位点，4个Fanzor同源物中有3个表现出了可测量的编辑活性，效率最高达11.8%，总体水平与AsCas2f1相当。

编辑效率最高达11.8%

为提升编辑效率，研究者还尝试了修饰ωRNA和向Fanzor中引入突变。

多方尝试之下，可将编辑效率最高提升至18.4%。

不同修饰ωRNA（上）和Fanzor突变（下）后的编辑效率

研究者还通过冷冻电镜技术分析了SpuFz1的结构，在2.7Å下可见典型的双球形结构，REC和WED结构域识别包含TAM的DNA双链，NUC和RuvC结构域则形成了类似Cas的沟槽，容纳ωRNA与DNA形成的异源双链。

Fanzor结构

最后，研究者还对SpuFz1的天然ωRNA结构进行了分析，确定其中tem2的区域是功能所不需的，去除后ωRNA总长为96nt，可令结构更紧凑、便于应用。

ωRNA结构中tem2不影响活性

不过，目前为止，研究者们还没有搞清楚Fanzor蛋白的生理功能，仅猜测与转座有关。Fanzor的真核生物起源和它相较Cas12等更小的大小，使得它有潜力成为新一代的基因编辑手段，但是它的天然功能使其可能面对在生物体内活性低、作用严重受控等问题。研究者认为，这可以通过基因工程改造来优化。