如果将人体比作一栋建筑，基因就是施工总图纸，调控着一切生命活动。具体如何开展施工？CRISPR/Cas编辑系统就是一位优秀的“工程师”，能对基因进行编辑。
1月6日，中科院深圳先进院合成所、深圳合成生物学创新研究院戴磊课题组在合成生物期刊ACS Synthetic Biology上发表最新成果，开发了全新CRISPR/Cas编辑系统，能对人体肠道菌群的“图纸”进行编辑。“该研究突破了传统方法在编辑效率、多基因编辑等方面的瓶颈，为进一步理解肠道微生物组的功能以及活菌药物的开发奠定了技术基础。”戴磊表示。
团队成员郑灵刚和谭扬为共同第一作者，戴磊为最后共同通讯作者。
打开肠道微生物组“窗口”
数量庞大的肠道菌群，被视为人体健康的“晴雨表”，对免疫系统、神经、代谢、内分泌甚至心理状态，都有可能产生影响。
此次团队开发的基因编辑工具，瞄准的是肠道中数量最大的细菌之一——肠道拟杆菌属。它也被视为研究肠道微生物组的“窗口”，可以为研究其他肠道微生物提供基础。此外，拟杆菌属细菌也与肥胖、炎症性肠病和结直肠癌等多种疾病相关。
目前的基因操作工具，存在流程复杂、编辑效率低等缺点，限制了进一步的研究。此次团队的进展，为“指挥官”CRISPR/Cas系统，提供了简便、高效的操作工具。
△CRISPR/Cas编辑示意图
首先，团队为这位“工程师”打造了一辆由穿梭质粒打造的“马车”，让其携带“剪刀”“修复画笔”等“涂改工具”，进入细菌内部。第二步，在接收到需要涂改的命令后，Cas基因将表达出来的Cas蛋白作为“剪刀”，剪开靶向基因位置，完成对目标片段的删除。第三步，利用“修复画笔”，将修复模板通过同源重组的方式插入到目标位置，完成基因的插入。第四步，通过在培养基中传代，从而实现获得无筛选标记的拟杆菌突变株。
利用此方法，可流程化地获得肠道工程菌，为未来活菌药物的设计与构建提供新的思路。
编辑效率成倍提升
据此，传统的拟杆菌属编辑工具，效率为4%-25%之间。此次团队利用CRISPR/Cas系统，使将编辑效率提升到了80%-100%，将极大促进对肠道菌群的应用研究。“马车”“剪刀”等工具在此过程中都起着举足轻重的作用，该团队在拟杆菌属中测试了不同的CRISPR/Cas系统。发现使用诱导型启动子表达FnCas12a蛋白（剪刀），可以实现高效的基因编辑。基于此，团队测试该系统在多形拟杆菌中可以实现大片段的删除和外源基因的高效插入。
△基因簇的删除和外源基因的插入
“外源基因GFP是一个荧光蛋白，若能成功插入到基因组中，即可观察到菌体发出绿色荧光，供我们查看‘涂改’成功与否。”戴磊表示。
除了拟杆菌属，该系统也成功在卵形拟杆菌、脆弱拟杆菌、普通拟杆菌、单形拟杆菌等多个物种中实现高效率的基因编辑。
高效、精准的基因组编辑方法对于解析肠道微生物组的功能、开发工程肠道益生菌都是不可或缺的工具。戴磊表示，与之前的工具相比，团队此次的研究极大提高了基因编辑的效率，同时也更容易实现无筛选标记突变株的获得。未来，该技术将推动肠道菌群与人体健康的机制研究，有望实现重大慢性疾病的预防和治疗。
