探索生命密码：张楹课题组揭示基因组编辑工具新机制

10月21日，国际学术期刊Molecular Cell（《分子细胞》）在线发表武汉大学医学研究院、免疫与代谢前沿科学中心、武汉大学中南医院张楹课题组关于DNA拓扑结构调控基因编辑器AtCas9与靶DNA互作的研究成果。

论文题为“DNA topology regulates PAM-Cas9 interaction and DNA unwinding to enable near PAMless cleavage by thermophilic Cas9”（《DNA拓扑结构调控PAM-Cas9互作和DNA解旋使得Cas9产生近乎无PAM的切割》）。

图 | 相关论文（来源：Molecular Cell）

论文的共同第一作者是武汉大学医学研究院博士研究生史亚晶、段敏以及云南师范大学丁俊美，张楹教授为唯一通讯作者。马赛诸塞医学院Erik Sontheimer教授，武汉大学殷昊教授、普颖颖教授都对该研究提供了帮助。审稿专家对论文评价道：  “这项研究照亮了Cas9和PAM互作的新方向，为今后研发精简不依赖PAM序列的基因编辑工具提供了新的路径，具有重大意义。”

海外游子，追光而行            

图 | 张楹教授

张楹在哈佛完成博士后训练后，加入基因编辑的初创公司CRISPR Therapeutics。作为公司的第一个研究员，她参与了团队组建和首个管线的临床前研究。通过三年努力构建了先进的基因编辑和产品开发的平台，在此基础上，与团队一起完成了地中海贫血症项目，参与研发的基因编辑造血干细胞治疗地中海贫血症的细胞产品已完成临床三期实验，并于近期提交新药批准申请。在研发的过程中，发现现有的基因编辑工具虽然能解决一些遗传疾病，但面对大多遗传疾病来说，还是受限于技术自身限制。

基于此，她萌生了回国组建团队  从解决临床转化问题出发，立足于研发新型基因编辑工具，为多种疾病的治疗带来新方法和新希望。

与时间赛跑，做科研“逆行”者            

2020年初，武汉突发新型冠状病毒肺炎疫情，成为疫情重灾区，为了阻止病毒进一步扩散，武汉在1月23日实施了“封城”。当时AtCas9这项研究进行大概半年多，处于发现现象阶段，但是由于疫情原因，课题组的成员都只能呆在家中，实验无法开展下去。

3月，张楹教授主动申请回到学校继续开展科研，在学生无法返汉的时间里，自己做实验，和课题组成员云分享每天的成果，持续推动课题进展。4月，武汉解除封城，在保证安全的前提下，抱着对AtCas9作用机制好奇心以及实验的紧迫性，课题小组成员最先申请返汉开展实验。当时整栋实验楼仅有极个别实验室亮着灯，整个校区人流量非常少，这也丝毫不影响课题组成员对探索未知的热情。

图 | 课题组成员合影

第一排从右到左第二位和第四位是文章的一作史亚晶、段敏。史亚晶，外号“绣娘”，心灵手巧，文章中所有的生化实验和真核编辑都是她完成的；段敏，自学AlphaFold，完成了文章中关键的结构预测。

疫情至今反反复复，课题组成员们在做好个人防护的同时继续开展研究工作，才有了这项研究成果。

新机制，带来新希望            

课题组从极端环境微生物入手，通过生物信息学分析，筛选具备完整CRISPR-Cas系统的新型Cas蛋白，通过实验鉴定其PAM序列。令人惊讶的是，AtCas9没用明显的PAM序列偏好。在排除AtCas9在大肠杆菌体内不能发挥功能之后，他们在体外用不同的酶处理PAM文库质粒，使其变为不同的DNA构象（线性、开环和负超螺旋）来验证PAM序列。与大肠杆菌体内结果一致，体外PAM文库筛选中AtCas9对超螺旋质粒没有PAM偏好，但当PAM文库处于线性或开环构象时，展现出对于第5位C/A/G的偏好。

查阅文献，课题组从未发现有任何报道DNA的结构可以直接影响PAM序列，这一特殊的现象激发了大家继续研究下去的动力。利用生化手段鉴定了可正调控或负调控PAM识别的DNA构象。为了挖掘机制，他们构建了几十个蛋白突变体，提出很多假说和设想去解释这一特殊的现象（图1），然而没有一个假说可以全面解释所有的数据。已有揭示Cas9-PAM互作的报道都是通过结构解析实现的，于是大家开始学习利用AlphaFold2和SWISS模型分别去预测AtCas9的结构，这两个方法学所预测出来的结果高度一致。

图 | 机制解析的假说路径图

课题组也通过生化实验验证这一预测结果，最终揭示了一种全新的PAM-Cas9互作新机制，也提出DNA构象可以直接影响基因编辑的效率。

图 | 水中洛神起舞:翩若惊鸿，婉若游龙

洛神比拟AtCas9, 琵琶比拟PAM，彩带代表双链DNA。当彩带紧密缠绕时，洛神需借助琵琶在彩带中翩翩起舞；当彩带松散缠绕时，洛神自由飞舞跳跃于彩带之中。

平台支撑创新 厚植科研沃土            

图 | 武汉大学中南医院

值得指出的是，这一项研究的发现离不开其背后平台——武汉大学中南医院医学研究院——的引领支撑。

武汉大学医学研究院成立于2014年，聚集了国内外优秀的科研人才队伍，致力于重大疾病的生物学基础和转化医学研究。2019年，武汉大学中南医院与武大医学研究院签订战略合作框架协议，共同开展科学研究、人才培养、共享平台等方面的合作和协同创新。

近4年来，双方科研团队结出累累硕果：截至目前共获批国家自然科学基金基础科学中心项目1项、国家自然科学基金委重点项目1项、国家自然科学基金国际合作研究项目1项、国家自然科学基金面上项目5项、中国医学科学院院外创新单元建设计划1项；主持科技部重点研发计划项目1项、子课题1项、参与5项，以武汉大学中南医院为第一单位发表高水平SCI论文共计96篇。

2022  年初，中南医院医学研究院挂牌成立，医学研究院正式作为中南医院下属的交叉学科研究院，为中南医院临床医学的科研创新提供人才支撑和平台保障。

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出品 / 党委宣传部

策划  / 张翼飞

通讯员 / 张文丽

编辑 / 陈茜

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