孙学军：试读春雨老师新一代基因编辑技术的论文
2016-05-09 孙学军博客 科学网
5月2日，Nature系列顶级刊物《自然生物技术》在线发表，来自河北科技大学生物科学与工程学院青年教师韩春雨副教授“DNA-guided genome editingusing the Natronobacteriumgregoryi Argonaute”的重大原创性论文。文章瞬间刷爆微信朋友圈，这里面有两层原因，其一，该项新的基因编辑手段对目前热火朝天的CAS9技术提出了挑战；其二，领导该项研究
5月2日，Nature系列顶级刊物《自然生物技术》在线发表，来自河北科技大学生物科学与工程学院青年教师韩春雨副教授“DNA-guided genome editingusing the Natronobacteriumgregoryi Argonaute”的重大原创性论文。文章瞬间刷爆微信朋友圈，这里面有两层原因，其一，该项新的基因编辑手段对目前热火朝天的CAS9技术提出了挑战；其二，领导该项研究的青年老师所在的单位和个人基本上籍籍无名。
到底这个研究为什么会有这样大的轰动，可以说一直关注生物医学进展的本人这次缺乏敏感性，今天早上才好好阅读这篇文章，因为分子生物学技术不是内行，只能看个大概。庆幸的是，文章写的比较通俗易懂，根据个人初步阅读理解，转告大家。
当今CAS9技术是利用RNA作为目标导向的基因编辑技术，存在一定问题，例如容易脱靶等，所以许多科学家都挖空心思地改造这个技术。Argonautes是研究了很长时间的一种酶，主要是作为调节RNA干扰系统所谓沉默复合体的有关研究。这个酶和CAS9有共同的生物学作用，也是对抗外源基因表达。不同的是CAS9只能依靠RNA作为指导，Argonautes不仅能依靠RNA也能依靠双链DNA。Argonaute有效地利用单链脱氧核糖核酸为介质精准地切割基因组靶点，这一现象最早是由荷兰瓦赫宁恩大学的约翰-范德欧斯特研究组发现。
何不利用这个特点，设计成能用DNA作为指导的新型基因编辑技术，不好的消息是，已经发现的Argonautes （Thermus thermophilus(TtAgo) 或Pyrococcus furiosus (PfAgo)）利用DNA的酶需要在65度以上才能发挥作用，这无法实现在活体细胞中编辑的目的，显然只要克服这个缺陷就可以实现目的。韩老师的基本思路是从蛋白质库中找存在类似功能序列的蛋白质，他们利用已经发现的Argonautes作为线索，通过PSI-BLAST技术附和前面两个酶特定氨基酸序列特征，尝试找到能在体温37度左右条件下工作的新酶，就是haloalkaliphilic archaebacteriumN. gregoryi SP2 (NgAgo, protein identifier AFZ73749.1)。于是运气来临，使用这个酶设计出的利用DNA位导引的基因编辑系统，确实能结合双链DNA并靶向切割，当然少不了对这些切割的特点进行分析，例如需要磷酸化末端修饰什么的特征。然后继续研究证明这个系统效率高，很多场景都能用，更重要的是精确度特别高，不容易出错。最后是证明这个系统能进行基因组外源基因插入，Cas9这个的过程容易脱靶。所以新版基因编辑技术从工作效率到工作准度，都完胜大热门Cas9技术。是的，我们知道Cas9先是修饰细菌、真菌，真核、哺乳动物细胞和个体、人类细胞甚至胚胎修改等这样的工作序列，每个步骤都引起轰动，甚至因为伦理学问题不断引起大家关注。
韩春雨版基因编辑技术（NgAgo-gDNA）更适合人类基因组编辑，性能超过最时髦的CRISPR-Cas9技术。这一发现会开启基因组工程的新篇章，之前基因组工程研究是基于RNA的CRISPR-Cas9、TALEN等，锌指蛋白也是基于DNA，但没有实现可编码的优势。强势新技术优点主要是这种技术的灵活性、准确性和广泛适应性。Cas9需要19个RNA碱基，在需要编辑的基因组上这19个碱基后面必须紧邻一个特征三碱基序列（PAM序列），这限制了gRNA的设计局限性，新版编辑技术不需要PAM序列，增加了技术灵活性。一般情况下，广谱性往往需要以精准性降低为代价，但是韩春雨版基因编辑技术没有这个问题，不仅具有灵活性，也同样具有精确性。因为NgAgo结合24个碱基gDNA，比Cas9的19个碱基gRNA长5个，理论上其精确性要提高1024倍。韩春雨版系统对向导序列-靶序列错配容忍度很低。gDNA上任何一个碱基的变换都会降低NgAgo的切割效率，如有三个错配则使其完全失活。这在另外一个机制上提高了NgAgo使用的精确性，特别是一些富含GC序列的地方，NgAgo系统比Cas9系统效率更高。NgAgo需要5’端磷酸化的单链DNA （5p-ssDNA），这种DNA在哺乳动物细胞几乎不存在，这保证了NgAgo不会被内源的DNA序列误导，产生错误编辑现象。外源5p-ssDNA转化到细胞，时间浓度可以精确控制。Cas9系统gRNA是内源表达，难以精确地控制。(本段参考网络信息)
后语，这个工作将来一定会引起广泛关注，国家可以重点投入，将初步的胜利扩大应用范围，用于基因编辑，畜农作物基因改良，利用这个技术可进行干细胞转化，人类基因治疗，动物疾病模型制备。一些生物技术公司会利用这个思路建立各种技术服务项目。个人生物技术爱好者会利用这个方法进行各自希望的基因编辑。这个文章或许会影响基因编辑领域诺贝尔化学奖的分配模式，或许韩老师的新技术将成为一匹诺贝尔奖黑马，成为中国生物医学领域的最大黑马，登上世界科学舞台。
原始出处：
Gao F, Shen XZ, Jiang F, Wu Y, Han C. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute. Nat Biotechnol. 2016 May 2. doi: 10.1038/nbt.3547
韩春雨副教授发表的论文：
1 Gao F, Shen XZ, Jiang F, Wu Y, Han C. DNA-guided genome editing using the Natronobacterium gregoryi Argonaute. Nat Biotechnol. 2016 May 2. doi: 10.1038/nbt.3547
2 Human Bex2 interacts with LMO2 andregulates the transcriptional activity of a novel DNA-binding complex. Chunyu Han, Hao Liu, Kang Yin, Yi Xie, Xiao Shen, Yong Wang,Jiangang Yuan, BoqingQiang, Yong-Jian Liu*and Xiaozhong Peng* Nucleic Acids Research, 2005
3 GA signaling and CO/FT regulatory modulemediate salt-induced late flowering in Arabidopsis thaliana. Kexue Li, YouningWang,Chunyu Han,Wensheng Zhang, Huizhen Jia, Xia Li Plant Growth Regul. 2007
4 Arabidopsis EIN2 modulates stressresponse through abscisic acid response pathway.Wang Y, Liu C, Li K, Sun F, HuH, Li X, Zhao Y, Han C, Zhang W, Duan Y, Liu M, Li X.Plant Mol Biol. 2007
5 Salt-induced plasticity of root hairdevelopment is caused by ion disequilibrium in Arabidopsis thaliana.Wang Y,Zhang W, Li K, Sun F, Han C, Wang Y, Li X. J Plant Res. 2008
6 2012年 34卷 6期 遗传 封面 BEX2与INI1/hSNF5蛋白的相互作用及对S期细胞的影响 韩秋悦范彦会 王雅丽 张少丹 韩春雨（我校产权）
7 HeLa细胞中INI1通过与E2A作用下调CD117 ,《中国生物工程杂志》2011年第11期,范彦会;韩秋悦;王雅丽;韩春雨
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