本文最初发布于Knowable Magazine。
世纪之交，美国Danisco公司（一家丹麦生物技术公司）的微生物学家遇到一个问题：他们用于制作酸奶和奶酪的细菌受到了病毒感染。经过深入研究，科学家们发现有些细菌拥有一种防御系统，可以对抗这些病毒入侵者。
这些对病毒免疫的细菌在其染色体中携带了奇怪的、重复的DNA字母序列——这是它们在与过去病毒的遭遇中“保存”下来的DNA片段，保存在自己的基因组中。这是一种分子记忆，类似于我们自身的免疫系统如何记住入侵者，以便在重复感染时产生抗体。
在这种情况下，这些微生物的免疫系统，被称为CRISPR-Cas，或者更通俗地说，就叫CRISPR，会将任何与它们分子记忆库中的序列匹配的病毒基因组撕碎。
这些酸奶生产商并非在寻找生物技术的“下一个大工具”。他们只是想保护他们发酵罐里的产品。但其他科学家很快意识到CRISPR的潜在价值，可以用于他们自己的设计：通过一些修改，CRISPR使他们能够切割任何他们想要的基因序列，极大地减轻了基因工程的挑战。
CRISPR系统席卷了生物技术界，荣获诺贝尔奖，并开启了基因治疗新时代。2023年12月，美国食品药品监督管理局批准了首个基于CRISPR的基因改变疗法：一种治疗令人极其痛苦的血液疾病镰状细胞贫血症的新基因疗法。
“这对研究来说具有革命性，”麻省理工学院媒体实验室（位于马萨诸塞州剑桥市）的进化工程师Kevin Esvelt说。“它正在加速整个生物技术的发展。”
自从科学家们发现CRISPR以来，一直存在一个令人困扰的问题：在动物、植物和真菌——这些被称为真核生物的生命形式（以储存遗传物质的细胞核为特征）中，是否存在类似的基因改变系统？
答案是，现在，根据2023年6月《自然》杂志上发表的一篇论文，明确的答案是肯定的。该论文由麻省理工学院和哈佛大学博德研究所（位于马萨诸塞州剑桥市）的分子生物学家Feng Zhang及其同事撰写。该团队在各种奇特的真核生物中发现了名为Fanzor的CRISPR样DNA剪切酶，包括真菌、藻类、变形虫和一种名为北部蛤蜊（northern quahog）的蛤蜊。
研究人员称这项发现是对CRISPR家族谱系的一个迷人补充。这一发现引发了更多问题：Fanzor有什么作用？它们也能在生物技术领域大放异彩吗？Fanzor和CRISPR是否只是冰山一角，还有更多DNA切割系统等待发现？
以下是我们对微生物CRISPR系统和新出现的Fanzor的一些了解。
什么是CRISPR？
简单地将DNA切碎并不是什么了不起的事。CRISPR系统添加的特殊技巧在于，它能将这些切割只精准地、有针对性地发生在目标位置。这需要两个要素：一是定位向导，一段短RNA，与目标DNA序列匹配。二是蛋白质，一种酶，充当“剪刀”。微生物进化出了几种切割酶，名称如Cas9和Cas12。
当微生物被病毒感染时，它们会收集病毒遗传序列的小片段，并将它们一起储存在基因组中的一个称为CRISPR重复序列的区域。下次病毒再次出现时，微生物就可以利用这些序列生成向导RNA。然后，它们可以使用酶“剪刀”来切割病毒的遗传物质，从而进行防御。
已知细菌中约有一半，以及大多数其他被称为古菌的微生物，都拥有CRISPR-Cas系统。奇怪的是，甚至有些病毒也劫持了CRISPR-Cas机制来对抗微生物。因此，直到这项新研究，真核生物是唯一完全被排除在外的群体。
CRISPR为生物技术提供了什么？
每个生物都使用相同的基本DNA编码和蛋白质，因此CRISPR-Cas系统理论上可以在科学家将其引入的任何生物中工作——尽管实际上通常需要进行一些调整。
最简单的应用是切除不需要的DNA。一旦Cas酶切除了目标基因，细胞就会将DNA重新连接起来，但不完美，从而产生一个断裂的基因。对于某些应用来说，破坏一个基因就足够了，这也是治疗镰状细胞基因疗法的一种可能方法。
镰状细胞贫血症发生于身体拥有缺陷的血红蛋白基因。但身体还有一个在胎儿时期使用的、独立的血红蛋白基因。科学家们希望在成年血细胞中重新激活有效的胎儿血红蛋白。有一个基因，即BCL11A，会阻止胎儿血红蛋白基因的表达。新的FDA批准的疗法使用CRISPR来破坏BCL11A，从而使功能性的胎儿血红蛋白在成年细胞中重新启动。FDA还在2024年1月批准了这种治疗血液疾病β-地中海贫血症的疗法。
利用一些额外的分子技巧，研究人员还可以使用CRISPR插入新的基因序列或修复断裂的基因。
科学家们还在试验基于CRISPR-Cas的疗法，以治疗糖尿病；一种类型的淀粉样变性；包括艾滋病在内的感染；以及各种癌症。这还不是全部。研究人员正在利用CRISPR将猪转变为人类可能的器官捐献者，创造质量更好、抗病性更强的水果，以及消灭传播疟疾的蚊子。
存在一些缺点。在人体中切割DNA链是一项风险很大的工作：如果Cas切错了地方，或者修复过程出错，治疗可能会以触发癌症的方式改变基因组。因此，许多现代基于CRISPR的方法使用Cas蛋白的改良版本，它们不完全切割DNA，而是进行更精细、更安全的编辑。
Fanzor是如何被发现的？
加州大学戴维斯分校（UC Davis）的遗传学家David J. Segal表示，Fanzor“一直藏在显眼的地方”。他在2013年为《基因组学与人类遗传学年鉴》（Annual Review of Genomics and Human Genetics）撰写了关于基因组工程新时代的文章。Fanzor基因在同年首次被描述，但没有人知道它们编码的是一种类似Cas的酶。
加州库比蒂诺（Cupertino）基因信息研究所的研究员Weidong Bao是2013年Fanzor研究的合著者。他和他的同事当时并不是在寻找DNA剪刀；他们对被称为“跳跃基因”的基因感兴趣。这些DNA序列可以从基因组的一个位置跳到另一个位置并重新插入。这些元素最著名的例子，正式名称为转座子，就是在玉米籽粒颜色控制中发现的跳跃基因——这项工作为遗传学家Barbara McClintock赢得了诺贝尔奖。事实上，人类基因组约有一半由转座子组成，但不必担心：大多数不再是跳跃基因了。
Bao知道细菌的跳跃基因通常包含一个功能未知的基因，称为TnpB。他去寻找类似的基因，并在二十多个真核生物的基因组中发现了它们，包括一种苍蝇、酵母菌和霉菌、变形虫以及几种藻类。研究人员将这种神秘基因的真核生物版本命名为Fanzor，而不是TnpB。
在2021年的一项研究中，Zhang及其同事也偶然发现了Fanzor。当时他们正在构建CRISPR-Cas家族树，展示这些RNA引导的切割系统是如何进化的，因此他们扫描了来自不同生物的基因和蛋白质，寻找类似的组分。他们发现Fanzor是细菌Cas基因的近亲，而这两个基因家族都源自TnpB。
Fanzor基因是否像CRISPR-Cas系统一样参与DNA切割？
Zhang及其同事推断，如果Fanzor基因和CRISPR系统中发现的Cas基因是失散多年的近亲，那么Fanzor基因也可能携带编码可以切割DNA的蛋白质的指令。沿着这个假设继续，Fanzor蛋白也可能使用RNA向导来查找和切割特定的DNA序列。
于是，他们进行了测试，将Fanzor基因放入培养皿中的人肾细胞中。这些基因被翻译成Fanzor蛋白。然后，科学家们将向导RNA引入这些Fanzor蛋白，并让它们混合三天。如果Fanzor蛋白是一种DNA切割酶，细胞就会将DNA重新连接起来，但不完美，在与向导RNA匹配的位置产生奇怪的缺失或插入。这正是团队发现的结果。
是的，Fanzor是一种真正的、RNA引导的DNA切割酶。
Fanzor会在生物技术领域补充还是取代CRISPR-Cas？
在培养皿中切割少数几个基因距离成为生物技术的下一个大工具还有很长的路要走。到目前为止，Zhang团队能做到的最好效果是以18.4%的概率切割目标基因位点，他们甚至还没有尝试用它来修复有缺陷的基因。这远不如CRISPR-Cas，后者得益于科学家们多年来优化系统的经验。
Fanzor相对于CRISPR-Cas的一个潜在优势是它的小巧。Cas酶加上向导RNA，以及可能其他必需的组分，对于要编辑的细胞来说，是个庞大的递送系统。科学家们经常将这些成分装入一种良性病毒进行递送，但所有组分都无法装入最常用的病毒。更小的Fanzor酶更适合。尽管如此，科学家们已经设计了Cas12和Cas 13酶的微型版本，它们可以装入病毒。所以在这方面，两者势均力敌。
Esvelt表示，用Fanzor进行基因工程存在一个潜在的缺点。CRISPR-Cas系统通常需要向导RNA与大约18到20个基因字母（或碱基）长度的DNA序列匹配。Esvelt计算，这样的完美匹配在基因组中最多只会有一个。这意味着Cas酶不太可能在目标位点以外的其他地方切割基因组——这对安全的基因疗法来说是个好消息。但Fanzor只需要匹配15个DNA碱基。
Esvelt说，这种较短的序列在基因组中重复出现的可能性要大得多。那么Fanzor就会切割目标位点，同时也会切割其他相同的位点，这可能对基因疗法来说是灾难性的。优势：CRISPR-Cas。
事实是，CRISPR在“大多数生物体中效果就很好”，英国诺里奇Sainsbury实验室的植物病理学家Sophien Kamoun说，他曾审查过CRISPR在作物育种中的应用。但Kamoun建议，Fanzor对于那些在Cas酶有毒性的某些细菌中工作的科学家来说，可能仍然有用。
所以总的来说，大多数CRISPR-Cas实验室没有理由进行切换。“我宁愿使用我们已知的东西，”Segal说，他正致力于治疗神经发育障碍。“在我所做的工作中已经有很多未解之谜了，我不需要担心使用一种新酶。”
Fanzor系统在自然界中做什么？
尽管如此，Fanzor仍然是一个非常酷的生物学发现。“令人着迷的是，生命中有如此多的王国存在CRISPR样系统，”Esvelt说。
虽然我们知道CRISPR-Cas系统对微生物有什么作用，但尚不清楚Fanzor蛋白在自然界中究竟做什么。研究人员认为它们以某种方式与转座子配对——可能是在帮助它们，或者可能只是搭便车。
Zhang小组考虑的一种可能性是，Fanzor可能为转座子创造一个防御系统。毕竟，一段可以跳入跳出基因组，并在每次这样做时改变DNA的DNA片段，通常对细胞不利，所以细胞可能会反击。这种假想的基于Fanzor的防御可能这样运作：转座子会跳入基因组中与其相关Fanzor喜欢切割的遗传序列相同的位点。通过跳入该位点，转座子会破坏Fanzor的目标位点，从而保护细胞的基因组免受切割。
但如果细胞移除了转座子，它就会重新创建Fanzor目标位点，使其基因组再次容易受到Fanzor的切割作用。
张推测，本质上，转座子会告诉细胞：“如果你把我除掉，我就去别的地方，我会制造Fanzor酶，它会回来切碎你赶我出去的那个位点。”因此，最好是让转座子留在原地。
然而，这只是一个可能性。
张说，人类是少数不天然拥有Fanzor的生物之一。但人们仍有可能拥有Fanzor-Cas家族中的其他类似DNA切割系统。Zhang的小组正在积极寻找新的。“我们正在努力尽可能多地发现它们，”他说。
本文最初发表于 Knowable Magazine，这是一个独立的、来自《年鉴评论》的新闻报道。注册 时事通讯。
