近日，顶级期刊《自然—通讯》发表论文报道了第三款CRISPR基因剪刀——CRISPR-Cas12b，这种新工具是第三个可以编辑人类细胞基因组的CRISPR-Cas系统，并很可能是更好的基因剪刀，将会带给研究人员更多选择与施展空间

第三款CRISPR基因剪刀论文作者是美国麻省理工学院—哈佛大学博德研究所教授张锋，他也是CRISPR-Cas基因编辑系统的先驱者之一。此前，他已成功参与开发出Cas9系统、Cas12a系统，如今成功凑齐Cas12b——CRISPR基因剪刀的第三个潜在基因组编辑系统。

基因剪刀三兄弟

CRISPR-Cas9是目前科学家们最常用的多功能基因组编辑工具，但除此之外，Cas蛋白家族中的Cas12a和Cas12b也具备成为基因剪刀的潜力

此前，科学家们在实验室最常用的多功能基因组编辑工具是CRISPR-Cas9，这是一种RNA导向的核酸酶，可以切割DNA。

Cas9系统最初由美国加州大学伯克利分校、瑞典于默奥大学和美国麻省理工学院—哈佛大学博德研究所张锋等实验室在2012年和2013年报道。该系统有效实现了哺乳动物基因组的编辑，并带动了基因编辑领域迅猛发展，将基因编辑技术成功拓展到基因转录表达调控、表观遗传修饰、全基因组功能筛选、碱基编辑、基因组成像和细胞谱系追踪等多种生物学应用。它能使基因组更有效地产生变化或突变，效率比既往基因编辑技术更高，这让CRISPR成为“生物科学领域的游戏规则改变者”，如今发展成为该领域最热门的研究工具之一。

然而，Cas9并非Cas蛋白家族中唯一一种RNA导向的核酸酶，除了Cas9之外，研究人员还发现Cas12a和Cas12b也具备成为基因剪刀的潜力。

其中，Cas12a已经被开发成基因组编辑工具。张锋等人在2015年发现并改造的Cas12a（又称为Cpf1）系统能实现哺乳动物等多个物种的基因组编辑。而且与Cas9相比，Cas12a具有一定优势：它比标准的Cas9要小，更容易进入组织和细胞；它剪切时离识别位点很远，这帮助研究人员在编辑位置的选择上有了更多施展空间。

于是，在CRISPR基因剪刀的潜力者哥仨中，就剩下Cas12b（又称为C2c1）仍未开发成功。这种蛋白比Cas9和Cas12a更小，更容易通过病毒载体实现细胞间递送，所以很可能是更好的基因剪刀。

张锋团队的研究

Cas12b的最佳活性“工作环境”需要达到48℃，为此，张锋团队对Cas12b重新进行了设计，不但增强它在人体体温37℃下的活性，甚至在编辑效率和低脱靶率上更为优异

理想丰满，现实骨感。由于Cas12b具有嗜高温特性，很难开发成好用的基因编辑工具。作为DNA裂解酶，Cas12b来自一种嗜酸耐热菌，它的最佳活性“工作环境”需要达到48℃。这种温度对于普通哺乳动物来说，实在难以承受。而一旦达不到温度要求，Cas12b的酶活性就不能发挥，会选择罢工。

对此，张锋团队对Cas12b开展了研究。他们先在Cas12b蛋白家族中寻找到一种喜欢常温的成员，并鉴定出在37℃时仍能保持核酸酶活性的BhCas12b。但实验发现，原始结构的野生型BhCas12b会切割双链DNA中的非靶标单链，且温度越低、错误越多，导致编辑效率较低。

为解决这一问题，张锋团队对Cas12b重新进行了设计，以增强它在人体体温37℃下的活性。根据蛋白质晶体结构的线索，研究人员通过4个点位突变，让酶的活性点位更容易和DNA靶序列接近，从而得到重新设计的新款Cas12b。

与Cas9相比，重新设计的Cas12b在细胞培养实验中对于靶序列具有更高的特异性。而目标特异性，是指基因剪刀只瞄准那些为它们设定的目标基因，特异性越高则意味着更高的精确性——这对一款功能强大的基因编辑工具来说非常重要。毕竟，脱靶效应是CRISPR技术最大的隐患之一：Cas9酶有时会在靶点以外的地方进行切割，而这种切割有可能引起肿瘤的发生，危害健康。

对此，张锋团队在细胞培养实验中，针对多个基因的多个靶序列，考察了新款基因剪刀的编辑效率。实验结果显示，新款Cas12b的编辑效率与Cas9、Cas12a相当，甚至更高；而且，新款Cas12b导致的错误插入缺失比常用的Cas9少得多，脱靶率显著降低。

李伟团队的研究

中国科学院的李伟团队是Cas12b基因剪刀研究领域的首发者，针对这项新技术，他们已于一年前提交了专利申请，并开始开发该技术在基因治疗中的应用

不过，张锋团队的这款Cas12b基因剪刀还不能算首发。

2018年11月27日，《细胞发现》发表了中国科学院动物研究所研究员李伟团队的类似研究成果。该研究团队通过系统挖掘，成功鉴定出若干能在人体生理温度下工作的Cas12b酶。经过系统改造，有两种Cas12b酶被成功开发成哺乳动物基因组编辑工具，能够编辑人类细胞基因组，并应用于制备动物疾病模型。他们开发的来自酸性脂环酸芽孢杆菌（AaCas12b）的Cas12b，可以在31℃至59℃温度范围内对哺乳动物基因组进行编辑。

在那篇论文中，研究者展示了这一工具的三大优点：一是Cas12b比应用最为广泛的SpCas9和Cas12a要更小，因此更容易用于需要在体递送的临床基因治疗；二是Cas12b能够在宽广的温度范围和pH范围保持更高的酶活性，有望适用于具有不同生理温度的多个物种。同时与SpCas9相比，Cas12b核糖核酸酶（RNP）在人血浆中更稳定；三是Cas12b很难耐受向导RNA与靶DNA之间的碱基错配，因此比SpCas9和Cas12a/Cpf1的脱靶效应更小，这意味着它在进行基因组编辑时更加安全。

针对这项新技术，该研究团队已于一年前提交了专利申请，并已开始开发这项技术在基因治疗中的应用。

当然，就像当初Cas9那款基因剪刀的打磨不是由一个团队完成的那样，想要将Cas12b改造成和Cas9一样应用广泛的工具，仍有很多工作要做。但第三个潜在基因组编辑系统的出现，显然将会带给研究人员更多选择。