张锋团队中标开辟“现款”基因剪刀
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科技日报北京1月22日电 据英国《自然·通讯》杂志22日发表的一篇论文,美国麻省理工学院—哈佛大学博德研究所张锋团队报告了第三个可以编辑人类细胞基因组的CRISPR-Cas系统。实验中,CRISPR-Cas12b系统比众所周知的Cas9,表现出了对靶序列更高的特异性。

CRISPR被称作规律间隔成簇短回文重复序列,是在一些细菌基因组内存在的一系列成簇排列的DNA序列,它源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统。而这些重复序列和很多能够侵入细菌的噬菌体的DNA序列相同。

此外今年张锋还成为了第一位 MIT 的 James and Patricia Poitras 教授,他对此表示,“我非常荣幸地被任命为神经科学的第一任 James 和 Patricia Poitras 教授。Poitras 家族和我都热爱着针对主要精神疾病的研究,治疗与最终实现治愈。这个头衔是对我们研究组在基因组及分子工具研究精神疾病方面的的一个重要认可。”

但Cas9却并非Cas蛋白家族中唯一一种RNA导向的核酸酶(即一种能切割DNA的酶)。除了Cas9之外,研究人员还发现了Cas12a和Cas12b。Cas12a已被开发成基因组编辑工具,而Cas12b尚未被完全开发,这其中至少有一部分原因是由于它嗜高温的特性。

CRISPR技术也在不断发展。去年,研究人员描述了酶Cas9的一种潜在替代者——来自土拉热弗朗西丝菌的CRISPR结合蛋白Cpf1。Cpf1表现出双重切割活性:不仅切割DNA,而且也切割RNA。这一发现提供了一种新的序列特异性基因组编辑方法,还可能便于一次对多种靶位点进行编辑,即多重编辑。

去年年底,张锋研究组发现 Cpf1 能够加工自己的 CRISPR RNA 。而且 Cpf1 介导的 pre-crRNA 加工是独立于 DNA 剪切的。这种能力可以用来简化多重基因组编辑。他们在此基础上设计 CRISPR 阵列,用一个载体同时在哺乳动物细胞编辑了四个基因,在小鼠大脑编辑了三个基因。这是在 CRISPR–Cpf1 的基础上打造了一个多重化基因编辑系统。

研究人员表示,想要将Cas12b改造成和Cas9一样应用广泛的工具,目前还有很多工作要做,但第三个潜在基因组编辑系统的出现,将会给全世界研究人员提供更多选择。

因为争夺对象是价值数十亿美元的生命科学领域明星——CRISPR-Cas9,于是,这场专利官司广受关注。该基因编辑技术可以实现对DNA片段的敲除、加入等,在可预计的未来,将在治疗疑难杂症上大有市场。

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CRISPR基因编辑技术被称为生命科学领域的“游戏规则改变者”,这一突破性技术通过一种名叫Cas9的特殊编程的酶来发现、切除并取代DNA的特定部分,因此CRISPR-Cas9是一个多功能基因组编辑系统。

CRISPR技术先驱:George Church、Jennifer Doudna、张锋和 Emmanuelle Charpentier。

这一新发现的 Cpf1 系统有几个重要的方面不同于以往描述的 Cas9,Cpf1 系统更简单一些,它只需要一条 RNA。Cpf1 酶也比标准 SpCas9 要小,使得它更易于传送至细胞和组织内;Cpf1 以一种不同于 Cas9 的方式切割 DNA。当 Cas9 复合物切割 DNA 时,它切割的是同一位点的两条链,留下的 “平端”在重新连接时往往会发生突变。采用 Cpf1 复合物生成的两条链切口是偏移的,在裸露端留下了短悬端。这预计有助于精确插入,使得研究人员能够更有效及精确地整合一段 DNA;Cpf1 切口远离识别位点,这意味着即便在切割位点靶基因突变,仍然可以进行再度切割,提供了多次机会来校正编辑;Cpf1 系统为选择靶位点提供了新的灵活性。像 Cas9 一样,Cpf1 复合物必须首选附着 PAM, 短序列,选择的靶点靠近自然存在的 PAM 序列。Cpf1 系统识别的 PAM 序列与 Cas9 截然不同。这在靶向某些基因组如疟原虫及人类基因组时可能是个优势。

此前,CRISPR因其巨大的商业价值引发了专利大战。美国专利商标局专利审判和上诉委员会2017年2月作出关键裁决之后,加州大学伯克利分校提起上诉,2018年9月联邦巡回上诉法院维持判决,张锋所在机构继续占据上风。

“我们的一个目标是简化专利申请过程。”Charpentier说。但统一该领域的尝试最终失败。

80 后华人学者张锋近年来频频获奖,出现在各大媒体杂志中,这是因为他作为基因组编辑技术 CRISPR 的开创者之一,在将 CRISPR/Cas 应用到人类细胞中起到了关键的作用。去年美国麻省理工学院 MIT 宣布了五位最新晋升终身教授的副教授,张锋就位列其中,据报道在 MIT 历史上,钱学森在 35 岁时晋升为终身教授,并曾在很长一段时间里是麻省理工学院最年轻华人终身教授纪录的保持者,而去年年仅 34 岁的张锋教授刷新了这一记录。

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随着基因魔剪商业价值的凸显,技术专利之战拉开帷幕。两家机构和Charpentier均声称自己拥有CRISPR-Cas9技术的专利。

除此之外,张锋研究组也提出了一些新的尝试,如他们构建出了 32 个具有单个点突变的 Cas9 突变体,借助于已验证易错配的向导 RNA 将它们靶向 EMX1 基因。张锋将这些特异性增强型 Cas9 蛋白称作为 “eSpCas9 变体”。测试大量的向导 RNAs 与具单个点突变的 eSpCas9 和具三个点突变的 eSpCas9,他们发现两种 eSpCas9 能够以相似的效率编辑靶位点。

张锋及其同事对Cas12b进行了研究,因为这种蛋白比Cas9或Cas12a更小,更容易通过病毒载体实现细胞间递送。但原始结构的Cas12b会切割双链DNA中的非靶标单链。为了解决这一问题,研究团队对Cas12b重新进行了设计,增强其在人体体温下的活性。与Cas9相比,重新设计的Cas12b在细胞培养实验中对靶序列具有更高的特异性。

同年11月,时任法国赛诺菲公司副主席的Novak与另一位老友、加拿大风投Shaun Foy讨论了CRISPR的商业化潜力。最终,Novak、Foy和Charpentier开始与其他CRISPR研究一线人员商讨公司创立事宜。

近期张锋教授也与另外两位学者在 Cell 杂志上发表了题为 “SnapShot: Class 2 CRISPR-Cas Systems” 的特写文章,介绍了新一代 CRISPR 基因组编辑系统:Class 2 CRISPR-Cas Systems。

张锋团队成功开发“新款”基因剪刀

据悉,Dougna则表示将继续申请专利,而且很可能会成功。其专利将覆盖所有的细胞,而张锋的专利只是覆盖植物和动物细胞。

张锋课题组还开发了一些基于功能获得性 CRISPR 的筛查方法。利用这一基于 CRISPR 的新工具来激活 SAM 基因,他的研究小组证实这一工具可以激活采用旧方法难于开启的 12 种不同的基因。“有许多基因采用旧系统无法激活,这一新系统能够激活转录达 100 倍或 1000 倍,” 张锋说。

此外,Church表示,在哈佛大学Cowan和Kiran Musunuru研究组于2013年发文称CRISPR远优于现有基因编辑工具后,该领域吸引了大笔投资,孵化了许多新企业和新竞争对手。

文章指出,第二类 CRISPR-Cas 系统基于不同的效应蛋白家族,可以分为 3 种类型和 9 种亚型,其中譬如 Cas9 和 Cas12a已成功地用于基因组工程。在此前的研究中,张锋研究组也采用了一种新生物信息学方法来发现暂时被命名为 C2c1、C2c2 和 C2c3 的新蛋白,他们开发出一系列的计算方法来搜索 NIH 基因组数据库,鉴别新的 CRISPR-Cas 系统。

但实际上Doudna和Charpentier提交专利申请的时间比张锋早7个月。而张锋被首先授予专利最有可能的原因就是,申请了快速通道专利——在他递交申请短短6个月后授予了他知识产权。而且,为了证明自己是第一个在人体细胞中使用CRISPR-Cas的人,张锋提供了实验室笔记本快照,以此证明他在2012年年初就创建并运行了CRISPR-Cas系统。这早于Doudna等人提交专利申请的时间,甚至也早于她们发布研究成果的时间。

2015 年,张锋及其同事们就报告称发现了一种不同的 CRISPR 系统,具有潜力实现更简单、更精确的基因组工程操作。这个新系统是通过在不同类型的细菌中搜寻了成百上千种的 CRISPR 系统,寻找具有有用特性的酶,结果来自氨基酸球菌属和毛螺菌科的 Cpf1 酶成为新的候选物。

“她说,‘你对CRISPR怎么看?’”作为一家生物公司管理者的Novak回忆道,“但我完全不知道她在说什么。”

之后,加州大学伯克利分校申请USPTO介入,表示Doudna和Charpentier是CRISPR技术的最早发现者,在CRISPR上的专利申请与布罗德研究所已有专利冲突,认为该研究所2014年的专利无效。

例如,科学家商业化了转录激活样效应因子核酸酶技术。这些嵌合核酸酶由两部分组成—— 一个可编码的序列特异性DNA结合模块与一个非特异性的DNA切割结构域。通过诱导DNA双链断裂,刺激容易出错的非同源末端连接或在特定基因所在的位置进行的同源定向修复,TALEN和ZFN能够完成一系列遗传学编辑修饰操作。

于是,2016年1月,USPTO展开调查,并于2017年2月15日作出裁决。专利审判和上诉委员会3名法官作出法庭裁决,认为布罗德研究所在2014年获得的CRISPR的技术专利权与加州大学伯克利分校提交的专利申请是不同专利,前者不受后者专利申请影响。这认可了布罗德研究所拥有其开发的CRISPR基因编辑工具的专利权。

不过,“到目前为止,CRISPR只是另一把剪刀。”Church说。当然,CRISPR/Cas9系统也存在缺陷,例如,有可能在非目标位点进行酶切,从而导致脱靶,如此可能引发癌症而非治愈癌症。而且,传统基因疗法面对的许多难题也是CRISPR发展的障碍:基因编辑的细胞会死亡、病毒载体的递送能力限制着基因编辑的效力。

美国专利局审查与上诉委员会近日就CRISPR专利纠纷作出裁决,麻省理工学院和哈佛大学共同创建的布罗德研究所可继续保有此前获批的“基因剪刀”技术专利。这意味着这场价值数十亿美元的专利案纠纷以张锋一方获胜暂告一段落。

本次专利纠纷不仅将决定名誉归属,其背后是巨大的商业利益。对于几家希望用CRISPR进行疾病治疗的公司来说,可谓是“几家欢喜几家愁”。裁决后,张锋、Church和Doudna创立的、已经公开募股的Editas Medicine股价大涨。此外,Charpentier、Novak、Foy和哈佛大学的Chad Cowan成立了CRISPR Therapeutics公司。

但同年,Doudna和Charpentier获得了生命科学突破奖,她们关于CRISPR-Cas9开拓性的工作获得了极大的认可。而张锋却没有被列为共同发明人共享这一奖项。不过,张锋在2016年与她们一同分享了加拿大盖尔德纳奖。

CRISPR技术具有成本低、易上手、效率高等优势,使得对基因的修剪改造“平民化”,因此风靡整个生物学界,它又被形象地称为“基因剪刀”。

2012年初,Emmanuelle Charpentier还是一位默默无闻的法国微生物学家,一天,她对一位老友Rodger Novak讲述了自己最近在瑞典于默奥大学的研究:一个新奇细菌免疫系统背后的机理。

这些公司虽然强调自己有独特的发展路径和商业策略,但它们也存在重叠部分。例如,CRISPR Therapeutics和Editas Medicine都将贫血症和杜氏肌营养不良置于优先位置。但在布罗德研究所获得专利数周后,Doudna离开了Editas Medicine,之后创立了Intellia。

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而加州大学伯克利分校当天发表声明称,他们可能将继续上诉。布罗德研究所则表示,法庭裁决确认了双方申请的专利不同,互不侵权。

ZFN技术先行者、犹他大学Dana Carroll则表示,没有理由认为CRISPR将比其他应用技术更快成功。目前,尚不清楚在转基因农作物和家畜方面,CRISPR是否将比其他基因编辑技术更有优势。这将取决于政府管理者是否将豁免CRISPR编辑生物。

在与Doudna进行讨论后,他们又找到了另外两位CRISPR研究“大牛”:哈佛大学的George Church和他的前博士后、供职于布罗德研究所的张锋。张锋团队以真核生物为基础开展广泛的实验,2013年初,他们在《科学》杂志上发表了关于在体外将CRISPR基因编辑这一精确切割方法应用于小鼠和人类细胞的论文。Doudna在几周后,也发表了自己的独立研究结果。

他们认为,张锋只是Doudna论文的跟进者之一,Doudna等人的研究涉及的范畴更广泛,对这项技术的研发具有奠基意义。但张锋一方表示,Doudna等人提出的是不同的专利声明,而他们首次将CRISPR运用到人类细胞中,从应用于原核细胞到真核细胞是一个“质”的跨越。

“据我所知,我们是第一个真正想尝试聚集大家做些事的人。”现供职于德国马普学会传染生物学研究所的Charpentier说。当时,涉足该领域的人并不多,2012年仅有126篇有关CRISPR的论文发表,相比之下,去年则有2155篇。

实际上,2012年年底,布罗德研究所就向美国专利和商标局申请了快速追踪审核通道。2014年4月,USPTO将CRISPR-Cas9技术的专利颁发给布罗德研究所,而张锋则是该专利的发明者。专利权限包括在真核细胞或者任何有细胞核的物种中使用CRISPR。这意味着张锋拥有在除细菌之外的所有生物,包括老鼠、猪和人身上使用CRISPR的权利。

长期以来,科学家只能通过物理和化学诱变、同源重组等方式对DNA进行编辑。但这些方法都不够方便和精确。直到2012年,Charpentier和加州大学伯克利分校着名结构生物学家Jennifer Doudna合作,将CRISPR免疫系统变成一种能编辑基因的工具。随着论文在《科学》杂志发表,科学家确认CRISPR-Cas9系统在体外实验中能“定点”对DNA进行切割。

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