CRISPR-Cas13 系统能够靶向编辑 RNA，被称为 “RNA 魔剪”。随着科学家们研究的深入，其家族成员不断壮大。近日，发表在《自然 · 通讯》的一项成果，揭开了“RNA 魔剪” 家族最年轻成员 “CRISPR-Cas13d” 的神秘面纱。

这项成果来自福建师范大学欧阳松应教授团队。该团队解析了瘤胃球菌的 Cas13d 蛋白（简称 UrCas13d）与 crRNA 二元复合物高分辨率晶体结构，揭示了 UrCas13d 加工前体 crRNA 的酶活性关键位点，鉴定了 crRNA 的间隔序列和靶向 RNA 之间的错配耐受性等之前尚未研究清楚的问题。

“这就像飞机设计工程师获得了设计并制造一架飞机的图纸与工序，为修理或设计出更出色的飞机提供了蓝图。” 欧阳松应表示，这为进一步改造 Cas13d 作为核酸编辑及检测工具，并发挥其在解决人类疾病与健康等问题上的应用潜力，提供了扎实的结构基础和理论依据。

“RNA 魔剪” 应用潜力巨大

CRISPR-Cas 系统是一种原核生物（细菌和古细菌）的免疫防御系统，该系统表达的非编码 RNA（crRNA）及其相关 Cas 蛋白组成的复合物，使得原核生物能够识别并且 “撕碎” 入侵噬菌体的核酸物质（DNA 或者 RNA），用以保持自身遗传物质的“纯洁”，在原核生物的进化中起到重要作用。

“正是由于这种精确地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas 系统被开发成高效的基因编辑工具，可以对遗传物质 DNA 或 RNA，进行依赖核酸序列信息的精确识别和切割。” 欧阳松应说，其中名声在外的 CRISPR-Cas9 系统可以高效地编辑 DNA 序列，用于纠正个体细胞内的基因缺陷，给众多遗传疾病和罕见病治疗带来了希望，该系统已经从实验室研究阶段进入到临床研究阶段，具有治愈或预防多种人类疾病的潜力。

近年来，源于生物学研究及医学领域的巨大应用潜力，一类可以特异地靶向检测与编辑 RNA 的 CRISPR-Cas 系统被发现并报道出来，命名为 Cas13（包括了 a、b、c、d 四个家族成员）系统。这一针对 RNA 的编辑工具可以在 RNA 水平调节基因的功能，而不会对基因本身造成永久性改变。

2018 年 4 月，美国索尔克研究所一个课题组和美国 Arbor 生物技术公司的课题组分别报道了通过生物信息学方法筛选，并经过功能实验验证的新型 Cas 蛋白，命名为 Cas13d。作为最年轻的成员，Cas13d 与其他 “兄弟姐妹” 在功能上有着相似之处，但更有其独特之处。

“关键在于大小。” 欧阳松应介绍，Cas13d 的蛋白序列长度约为 930 个氨基酸，比其他 Cas13 家族成员明显偏小，比 Cas9 更是小 33%，这种尺寸使其更容易包装到容量较小的载体中，如腺相关病毒（AAV）载体，因此在开发新药、新材料和新的诊断方法上具有广泛应用潜力。

获得新型 “魔剪” 高分辨率晶体结构

结构生物学是分子生物学、生物化学及生物物理学的分支学科，关心的是生物大分子（例如蛋白质分子和核酸分子）的分子三维结构（包括构架和形态），获得它们的结构信息，并研究生物大分子的结构与功能之间的关系。

“所有的生命活动都是通过各种生物大分子的相互作用来实现，而结构生物学能够解释生物大分子的构象和相互作用的方式，从原子水平揭示生命过程的详细机制，使人们‘知其然而知其所以然’。” 欧阳松应告诉记者，目前结构生物学的研究范围已经涉及到大多数重要的生命活动，分子生物学的每一个前沿突破都与结构生物学密切相关。

在本研究中，欧阳松应课题组将结构生物学与生命科学前沿研究课题结合，解析了 UrCas13d 蛋白和 crRNA 二元复合物的高分辨率晶体结构，可以直观看到每一个原子的位置及它们之间的相互作用细节信息。

“当入侵者到来，CRISPR-Cas 系统会在‘指挥官’（前导序列）的调控下转录出两种‘防御材料’，其中一种就是前体 crRNA，另一种是我们研究的 Cas 蛋白。” 欧阳松应比喻说。这一研究清楚地解释了 Cas13d 这把 “新型魔剪”，究竟采用了什么样的空间结构布局来加工前体 crRNA，并如何结合成熟的 crRNA，形成具有识别靶向 RNA 能力的功能复合物，从而进一步研究清楚该蛋白具有的 crRNA 依赖的 RNase 活性的分子机理。

相关研究表明，Cas13d 可做为一种强大 RNA 编辑工具，用于纠正老年痴呆症患者细胞中引起疾病的蛋白质失衡。同时，Cas13d 可以作为一种可操控的 RNA 结合模块，有效靶向细胞内的 RNA 转录物，为转录组工程和疾病治疗提供了一个通用平台。

“该研究揭开了 CRISPR-Cas13d 系统的神秘面纱，对其技术机制特点有了更深刻理解，有助于这项技术更广泛地应用，从而造福人类。” 欧阳松应说。