本文来自微信公众号：生物世界 （ID：ibioworld），作者：王聪，编辑：王多鱼，题图来自：Wiki Commons


2013年1月3日，张锋作为通讯作者在Science期刊发表了一篇题为：Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems的研究论文，首次将CRISPR-Cas9技术应用于人类细胞基因编辑。这篇论文让这位年仅30岁的华人学者一鸣惊人，并在此后十年间引领了基因编辑发展和应用的潮流。


在这十年里，张锋发现、改造和开发了一系列基因编辑工具，极大地拓展了基因编辑工具箱，成立了多家CRISPR基因编辑公司，率先将CRISPR基因编辑技术推进到人体临床试验和病原体检测……


在这十年里，张锋发表了150多篇论文，其中作为通讯作者在Cell发表论文10篇、在Nature发表论文9篇，在Science发表论文18篇。


在这篇文章中，我们从张锋实验室发表的论文出发，尝试系统性介绍张锋实验室所做工作，帮助了解当前最受关注的华人科学家的研究动态。


在张锋实验室主页上，他对自己实验室的介绍既简洁又深邃：我们探索和研究生物多样性，以了解自然，并发现可以通过生物工程来改善人类福祉的系统和过程。


张锋，1982年10月22日出生于河北石家庄，11岁时随家人前往美国。2004年获得哈佛大学化学与物理学学士学位，2009年获得斯坦福大学化学及生物工程博士学位，2011年在麻省理工学院成立了自己的独立实验室，2016年获得终身教职，2017年，张锋成为麻省理工学院终身正教授，2018年，张锋当选了美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，并在后续当选了美国国家发明家科学院院士、美国国家医学院院士。


张锋开发了众多分子工程工具，在全世界的实验室、生物医药公司得到了广泛应用。这些工具对于研究癌症、遗传疾病、神经系统疾病、农业育种，以及开发诊断和治疗方法等等非常有用。


张锋从原核生物中发现的天然CRISPR免疫系统中率先开发了CRISPR-Cas9并将其应用于真核细胞（包括人类细胞）的基因组编辑。通过发现、改造和利用新型CRISPR系统，他极大地扩展了基因编辑工具箱。这些新工具不仅包括靶向DNA的CRISPR系统，还包括靶向RNA的CRISPR系统。通过工程化改造，他提高了CRISPR系统的特异性，并扩大了它们的编辑范围。


张锋对学术界免费开放其CRISPR-Cas9专利，允许非商业目的的科学研究随意免费使用，他还将自己实验室的研究资源放在了公共资源库Addgene上免费分发。在张锋的推动下，这些基因编辑工具得到了广泛使用，大大加速了世界各地的科学研究，尤其是生物医学领域。


张锋在2013年1月的一鸣惊人，并非毫无征兆。


2005年8月，斯坦福大学Karl Deisseroth教授团队在Nature Neuroscience期刊发表了一篇具有里程碑意义的研究论文[1]，这项研究发现，光敏感通道蛋白ChR2可以在哺乳动物神经元中稳定且安全表达，在被光脉冲激活时，ChR2可以以毫秒级时间分辨率控制兴奋性或抑制性突触传递。这项研究为神经科学提供了革命性的研究手段，标志着光遗传学（Optogenetics）的正式到来，Karl Deisseroth教授也因此被称为“光遗传学之父”。



刚刚进入Karl Deisseroth教授实验室读研究生的第二年、年仅23岁的张锋是这篇里程碑论文的第二作者。正是在这项研究中的工作，为张锋日后在CRISPR基因编辑领域的一鸣惊人奠定了基础。


在Karl Deisseroth教授实验室，张锋利用同样来自原核生物的TALE核酸酶系统将光遗传学元件插入到哺乳动物神经元的基因组中。


后来，张锋曾回忆道，2011年年初自己在Broad研究所建立了独立实验室，在2月份的一次会议上，哈佛医学院的Michael Gilmore教授在演讲中提到了细菌的CRISPR免疫系统，随后Michael Gilmore教授提到了核酸酶（nuclease）一词，这让原本昏昏欲睡的自己一下子打起了精神。此时的张锋立刻意识到CRISPR系统的潜力，开始将研究方向转向利用CRISPR核酸酶进行哺乳动物细胞基因组编辑。


2012年10月5日，张锋提交了一篇突破性研究论文，报道了首次成功的可编程基因组编辑，这也是CRISPR-Cas9在哺乳动物细胞中的首次成功应用。三个月后，这篇论文在 Science 期刊上线[2]。


这项研究为哺乳动物（包括人类）的基因组编辑提供了一种前所未有的高效且简洁的工具，对整个生命科学产生了巨大影响。此后，张锋实验室继续完善和改进CRISPR技术，并不断挖掘开发新的基因组工程技术，陆续开发了Cas12a和Cas12b，用于RNA编辑的Cas13a和Cas13b，转座子编码的OMEGA系统，可切割蛋白质的CRISPR-Cas系统，并首次发现了来自真核生物的CRISPR样系统，他还开发了一系列新型递送系统。


张锋实验室的15篇开创性研究论文


自2012年以来，张锋实验室已经发表了150篇论文，仅Cell、Nature和Science正刊论文就有37篇之多。我们尝试选出了其中15篇具有开创和引领作用的论文，并进行介绍。


1. 首次将CRISPR-Cas9用于哺乳动物基因组编辑


2023年1月3日，张锋团队在Science期刊发表论文[2]，该研究将来自化脓链球菌的CRISPR核酸酶spCas9成功应用于哺乳动物细胞基因编辑，证明了RNA引导核酸酶技术的易于编程性和广泛适用性。



2. 首次将CRISPR-Cas9用于大规模基因筛选


2013年12月12日，张锋团队在Science期刊发表论文[3]，该研究构建了一个慢病毒递送的全基因组CRISPR基因筛选文库，并使用该文库发现了多个与黑色素瘤耐药性相关的基因。该研究证明了Cas9在全基因组规模筛选中的应用前景。



3. 构建用于基因编辑和癌症建模的Cas9敲入小鼠模型


2014年9月25日，张锋团队在Cell期刊发表论文[4]，该研究构建了一种Cre依赖性Cas9基因敲入小鼠模型，用于基因编辑和癌症建模研究，这项研究表明Cas9基因敲入小鼠模型广泛的生物学和疾病建模应用。



4. 开发了第一种小型化的Cas9核酸酶——saCas9


2015年4月1日，张锋团队在Nature发表论文[5]，该研究发现了来自金黄色葡萄球菌的Cas9——saCas9，相比之前广泛应用的来自化脓链球菌的spCas9，saCas9尺寸更小，能够通过腺相关病毒（AAV）进行递送，实现体内基因编辑。



5. 发现了首个CRISPR-Cas12系统


2015年9月25日，张锋团队在Cell期刊发表论文[6]，该研究发现并表征了一种新型CRISPR系统——Cpf1（后更名为Cas12a），Cas12a相比Cas9更简洁，而且其切割DNA后会产生粘性末端切口，因此更适合用来进行基因插入。



6. 发现了首个CRISPR-Cas13系统


2016年6月2日，张锋团队在Science期刊发表论文[7]，该研究发现并表征了一种新型CRISPR系统——C2c2（后更名为Cas13a），Cas13a能够靶向编辑RNA，这一发现拓宽了我们对CRISPR-Cas系统的理解，表明了Cas13a可作为一种RNA靶向编辑工具。



7. 首次将CRISPR系统用于病原体核酸检测


2017年4月13日，张锋团队在Science期刊发表论文[8]，该研究发明了一种基于CRISPR-Cas13a的病毒检测技术——SHERLOCK，这一与神探夏洛克·福尔摩斯同名的检测技术，可以让被切割的RNA形成条带，形成视觉可见的线索，并直观展示出来。



8. 开发了一款DNA显微镜


2019年6月20日，张锋团队在Cell期刊发表论文[9]，该研究开发了这一种独特成像方式的DNA显微镜，不依赖光或任何类型的光学器件，其成像能力完全来自扩散分子动力学，将物理图像编码为DNA，并以精确的序列信息推断细胞分辨率的原始转录物的物理图像，从而实现在基因组水平上对细胞的观察。



9. 开发了首个RNA单碱基编辑器——RESCUE


2019年7月12日，张锋团队在Science期刊发表论文[10]。该研究开发了一种RNA单碱基编辑器——RESCUE，利用dCas13，可以将RNA上的特定位点由C变成U。该系统极大地扩展了CRISPR技术在RNA编辑领域的应用。



10. 开发了新型RNA递送平台——SEND


2021年8月19日，张锋团队在Science发表论文[11]。该研究开发了一种全新的RNA递送平台——SEND，其核心是逆转录病毒样蛋白PEG10，它能够与自身的mRNA结合并在其周围形成球型保护囊。SEND系统利用人类内的组分自组装为病毒样颗粒，能够用来包装和递送RNA。与其他递送载体相比，其引起的免疫反应更少，更具安全性。



11. 发现转座子编码的RNA引导的新型核酸酶——OMEGA系统


2021年9月6日，张锋团队在Science期刊发表论文[12]，该研究发现了一类广泛的转座子编码的RNA引导核酸酶，并将其命名为OMEGA系统（包括IscB、IsrB、Tnp8）。该系统被认为是CRISPR-Cas9的祖先。OMEGA系统使用一段RNA来指导切割DNA双链，即ωRNA。更重要的是，这些核酸酶很小，仅为Cas9的大约30%，这意味着它们可能更容易被递送到细胞中。



12. 发现可以切割蛋白质的CRISPR-Cas系统


2022年11月3日，张锋团队在Science期刊发表论文[13]。该研究确定了Cas7-11这种III-E型CRISPR相关蛋白酶（CASP）的蛋白底物、结构和作用机制，揭示了CRISPR系统除了作为核酸酶，还可以切割蛋白质，并开发了可在体外和人类细胞中用于检测RNA的RNA传感。



13. 全面绘制人类所有转录因子图谱


2023年1月5日，张锋团队在Cell期刊发表了论文[14]。该研究创建了一个涵盖了人类所有转录因子异构亚型（共3548个）的条形码文库，并将其用于构建转录因子图谱（TF Atlas），以单细胞分辨率绘制了每个转录因子过表达在人类胚胎干细胞（hESCs）中引起的表达谱变化。这个全面的转录因子图谱既可以系统地识别驱动细胞状态变化的转录因子，也可以对孤儿转录因子进行分类等研究，还可以用来预测和验证不同转录因子组合对细胞的影响。



14. 开发基于细菌“注射器”的蛋白质递送系统


2023年3月29日，张锋团队在Natrue期刊发表论文[15]。该研究通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。这种新型蛋白质递送方式或将改变基因治疗、癌症治疗等前沿疗法格局，具有强大的应用前景。



15. 首次在真核生物中发现CRISPR样系统


2023年6月28日，张锋团队在Nature期刊发表论文[16]。该研究在真核生物中发现了第一个RNA引导的DNA切割酶——Fanzor，更重要的是，这种新型CRISPR样系统，可以在重编程后实现对人类基因组的编辑。相比CRISPR-Cas系统，Fanzor系统非常紧凑，更容易递送到细胞和组织中。而且，Fanzor系统没有旁系切割活性，可实现更精准的基因组编辑。这项最新研究也提示我们，RNA引导的DNA切割机制存在于所有生物界。



张锋实验室现在在做什么？


在张锋实验室主页上，他将自己实验室的研究分成了三大方向：开发可编程疗法、恢复细胞内稳态、发现天然系统。


1. 开发可编程疗法


我们能加快新疗法的开发吗？实验室的目标是创建模块化系统，可以互换结合治疗分子，如基因编辑组件和递送载体。通过专注于为治疗干预和递送创建兼容和可扩展的平台，可以快速生成大量适合各种情况的治疗方法。


2. 恢复细胞内稳态


我们能否在不改变细胞命运的情况下调控细胞状态？实验室的目标是确定可以用来调控细胞状态的方法。这些方法将为诸如损伤、退行性疾病甚至衰老等没有明确遗传原因的疾病提供新的治疗途径。


3. 发现天然系统


我们能通过挖掘自然多样性来发现新的生物学吗？实验室致力于通过发现天然系统来推进我们对分子机制、细胞功能甚至有机体生物学的理解，使用计算和实验方法来发现和表征新的天然系统。


论文链接

1. https://www.nature.com/articles/nn1525

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1231143

3. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1247005

4. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.09.014

5. https://www.nature.com/articles/nature14299

6. https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.09.038

7. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaf5573

8. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam9321

9. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.019

10. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax7063

11. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg6155

12. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6856

13. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7450

14. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.026

15. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7

16. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06356-2


本文来自微信公众号：生物世界 （ID：ibioworld），作者：王聪，编辑：王多鱼