2013年1月3日，張鋒作為通訊作者在 Science 期刊發(fā)表了一篇題為：Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems 的研究論文，首次將CRISPR-Cas9技術(shù)應(yīng)用于人類細(xì)胞基因編輯。這篇論文讓這位年僅30歲的華人學(xué)者一鳴驚人，并在此后十年間引領(lǐng)了基因編輯發(fā)展和應(yīng)用的潮流。
在這十年里，張鋒發(fā)現(xiàn)、改造和開發(fā)了一系列基因編輯工具，極大地拓展了基因編輯工具箱，成立了多家CRISPR基因編輯公司，率先將CRISPR基因編輯技術(shù)推進(jìn)到人體臨床試驗(yàn)和病原體檢測(cè)...
在這十年里，張鋒發(fā)表了150多篇論文，其中作為通訊作者在 Cell 發(fā)表論文10篇、在 Nature 發(fā)表論文9篇，在 Science 發(fā)表論文18篇。
在這篇文章中，我們從張鋒實(shí)驗(yàn)室發(fā)表的論文出發(fā)，嘗試系統(tǒng)性介紹張鋒實(shí)驗(yàn)室所做工作，幫助了解當(dāng)前最受關(guān)注的華人科學(xué)家的研究動(dòng)態(tài)。
在張鋒實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)上，他對(duì)自己實(shí)驗(yàn)室的介紹既簡(jiǎn)潔又深邃：我們探索和研究生物多樣性，以了解自然，并發(fā)現(xiàn)可以通過生物工程來改善人類福祉的系統(tǒng)和過程。
張鋒，1982年10月22日出生于河北石家莊，11歲時(shí)隨家人前往美國(guó)。2004年獲得哈佛大學(xué)化學(xué)與物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2009年獲得斯坦福大學(xué)化學(xué)及生物工程博士學(xué)位，2011年在麻省理工學(xué)院成立了自己的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，2016年獲得終身教職，2017年，張鋒成為麻省理工學(xué)院終身正教授，2018年，張鋒當(dāng)選了美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，并在后續(xù)當(dāng)選了美國(guó)國(guó)家發(fā)明家科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)院院士。
張鋒開發(fā)了眾多分子工程工具，在全世界的實(shí)驗(yàn)室、生物醫(yī)藥公司得到了廣泛應(yīng)用。這些工具對(duì)于研究癌癥、遺傳疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、農(nóng)業(yè)育種，以及開發(fā)診斷和治療方法等等非常有用。
張鋒從原核生物中發(fā)現(xiàn)的天然CRISPR免疫系統(tǒng)中率先開發(fā)了CRISPR-Cas9并將其應(yīng)用于真核細(xì)胞（包括人類細(xì)胞）的基因組編輯。通過發(fā)現(xiàn)、改造和利用新型CRISPR系統(tǒng)，他極大地?cái)U(kuò)展了基因編輯工具箱。這些新工具不僅包括靶向DNA的CRISPR系統(tǒng)，還包括靶向RNA的CRISPR系統(tǒng)。通過工程化改造，他提高了CRISPR系統(tǒng)的特異性，并擴(kuò)大了它們的編輯范圍。
張鋒對(duì)學(xué)術(shù)界免費(fèi)開放其CRISPR-Cas9專利，允許非商業(yè)目的的科學(xué)研究隨意免費(fèi)使用，他還將自己實(shí)驗(yàn)室的研究資源放在了公共資源庫(kù)Addgene上免費(fèi)分發(fā)。在張鋒的推動(dòng)下，這些基因編輯工具得到了廣泛使用，大大加速了世界各地的科學(xué)研究，尤其是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
張鋒在2013年1月的一鳴驚人，并非毫無征兆。
2005年8月，斯坦福大學(xué) Karl Deisseroth 教授團(tuán)隊(duì)在 Nature Neuroscience 期刊發(fā)表了一篇具有里程碑意義的研究論文【1】，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，光敏感通道蛋白ChR2可以在哺乳動(dòng)物神經(jīng)元中穩(wěn)定且安全表達(dá)，在被光脈沖激活時(shí)，ChR2可以以毫秒級(jí)時(shí)間分辨率控制興奮性或抑制性突觸傳遞。這項(xiàng)研究為神經(jīng)科學(xué)提供了革命性的研究手段，標(biāo)志著光遺傳學(xué)（Optogenetics）的正式到來，Karl Deisseroth 教授也因此被被稱為“光遺傳學(xué)之父”。
剛剛進(jìn)入 Karl Deisseroth 教授實(shí)驗(yàn)室讀研究生的第二年、年僅23歲的張鋒是這篇里程碑論文的第二作者。正是在這項(xiàng)研究中的工作，為張鋒日后在CRISPR基因編輯領(lǐng)域的一鳴驚人奠定了基礎(chǔ)。
在 Karl Deisseroth 教授實(shí)驗(yàn)室，張鋒利用同樣來自原核生物的TALE核酸酶系統(tǒng)將光遺傳學(xué)元件插入到哺乳動(dòng)物神經(jīng)元的基因組中。
后來，張鋒曾回憶道，2011年年初自己在Broad研究所建立了獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，在2月份的一次會(huì)議上，哈佛醫(yī)學(xué)院的 Michael Gilmore 教授在演講中提到了細(xì)菌的CRISPR免疫系統(tǒng)，隨后 Michael Gilmore 教授提到了核酸酶（nuclease）一次，這讓原本昏昏欲睡的自己一下子打起了精神。此時(shí)的張鋒立刻意識(shí)到CRISPR系統(tǒng)的潛力，開始將研究方向轉(zhuǎn)向利用CRISPR核酸酶進(jìn)行哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因組編輯。
2012年10月5日，張鋒提交了一篇突破性研究論文，報(bào)道了首次成功的可編程基因組編輯，這也是CRISPR-Cas9在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的首次成功應(yīng)用。三個(gè)月后，這篇論文在 Science 期刊上線【2】。
這項(xiàng)研究為哺乳動(dòng)物（包括人類）的基因組編輯提供了一種前所未有的高效且簡(jiǎn)潔的工具，對(duì)整個(gè)生命科學(xué)產(chǎn)生了巨大影響。此后，張鋒實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)完善和改進(jìn)CRISPR技術(shù)，并不斷挖掘開發(fā)新的基因組工程技術(shù)，陸續(xù)開發(fā)了Cas12a和Cas12b，用于RNA編輯的Cas13a和Cas13b，轉(zhuǎn)座子編碼的OMEGA系統(tǒng)，可切割蛋白質(zhì)的CRISPR-Cas系統(tǒng)，并首次發(fā)現(xiàn)了來自真核生物的CRISPR樣系統(tǒng)，他還開發(fā)了一系列新型遞送系統(tǒng)。
張鋒實(shí)驗(yàn)室的15篇開創(chuàng)性研究論文
自2012年以來，張鋒實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)表了150篇論文，僅 Cell、Nature 和 Science 正刊論文就有37篇之多。我們嘗試選出了其中15篇具有開創(chuàng)和引領(lǐng)作用的論文，并進(jìn)行了相應(yīng)介紹。
1、首次將CRISPR-Cas9用于哺乳動(dòng)物基因組編輯
2013年1月3日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【2】，該研究將來自化膿鏈球菌的CRISPR核酸酶spCas9成功應(yīng)用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因編輯，證明了RNA引導(dǎo)核酸酶技術(shù)的易于編程性和廣泛適用性。
2、首次將CRISPR-Cas9用于大規(guī)模基因篩選
2013年12月12日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【3】，該研究構(gòu)建了一個(gè)慢病毒遞送的全基因組CRISPR基因篩選文庫(kù)，并使用該文庫(kù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與黑色素瘤耐藥性相關(guān)的基因。該研究證明了Cas9在全基因組規(guī)模篩選中的應(yīng)用前進(jìn)。
3、構(gòu)建用于基因編輯和癌癥建模的Cas9敲入小鼠模型
2014年9月25日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表論文【4】，該研究構(gòu)建了一種Cre依賴性Cas9基因敲入小鼠模型，用于基因編輯和癌癥建模研究，這項(xiàng)研究表明Cas9基因敲入小鼠模型廣泛的生物學(xué)和疾病建模應(yīng)用。
4、開發(fā)了第一小型化的Cas9核酸酶——saCas9
2015年4月1日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表論文【5】，該研究發(fā)現(xiàn)了來自金黃色葡萄球菌的Cas9——saCas9，相比之前廣泛應(yīng)用的來自化膿鏈球菌的spCas9，saCas9尺寸更小，能夠通過腺相關(guān)病毒（AAV）進(jìn)行遞送，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)基因編輯。
5、發(fā)現(xiàn)了首個(gè)CRISPR-Cas12系統(tǒng)
2015年9月25日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表論文【6】，該研究發(fā)現(xiàn)并表征了一種新型CRISPR系統(tǒng)——Cpf1（后更名為Cas12a），Cas12a相比Cas9更簡(jiǎn)潔，而且其切割DNA后會(huì)產(chǎn)生粘性末端切口，因此更適合用來進(jìn)行基因插入。
6、發(fā)現(xiàn)了首個(gè)CRISPR-Cas13系統(tǒng)
2016年6月2日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【7】，該研究發(fā)現(xiàn)并表征了一種新型CRISPR系統(tǒng)——C2c2（后更名為Cas13a），Cas13a能夠靶向編輯RNA，這一發(fā)現(xiàn)拓寬了我們對(duì)CRISPR-Cas系統(tǒng)的理解，表明了Cas13a可作為一種RNA靶向編輯工具。
7、首次將CRISPR系統(tǒng)用于病原體核酸檢測(cè)
2017年4月13日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【8】，該研究發(fā)明了一種基于CRISPR-Cas13a的病毒檢測(cè)技術(shù)——SHERLOCK，這一與神探夏洛克·福爾摩斯同名的檢測(cè)技術(shù)，可以讓被切割的RNA形成條帶，形成視覺可見的線索，并直觀展示出來。
8、開發(fā)了一款DNA顯微鏡
2019年6月20日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表論文【9】，該研究開發(fā)了這一種獨(dú)特成像方式的DNA顯微鏡，不依賴光或任何類型的光學(xué)器件，其成像能力完全來自擴(kuò)散分子動(dòng)力學(xué)，將物理圖像編碼為DNA，并以精確的序列信息推斷細(xì)胞分辨率的原始轉(zhuǎn)錄物的物理圖像，從而實(shí)現(xiàn)在基因組水平上對(duì)細(xì)胞的觀察。
9、開發(fā)了首個(gè)RNA單堿基編輯器——RESCUE
2019年7月12日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【10】。該研究開發(fā)了一種RNA單堿基編輯器——RESCUE，利用dCas13，可以將RNA上的特定位點(diǎn)由C變成U。該系統(tǒng)極大地?cái)U(kuò)展了CRISPR技術(shù)在RNA編輯領(lǐng)域的應(yīng)用。
10、開發(fā)了新型RNA遞送平臺(tái)——SEND
2021年8月19日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 發(fā)表論文【11】。該研究開發(fā)了一種全新的RNA遞送平臺(tái)——SEND，其核心是逆轉(zhuǎn)錄病毒樣蛋白PEG10，它能夠與自身的mRNA結(jié)合并在其周圍形成球型保護(hù)囊。SEND系統(tǒng)利用人類內(nèi)的組分自組裝為病毒樣顆粒，能夠用來包裝和遞送RNA。與其他遞送載體相比，其引起的免疫反應(yīng)更少，更具安全性。
11、發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子編碼的RNA引導(dǎo)的新型核酸酶——OMEGA系統(tǒng)
2021年9月6日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【12】，該研究發(fā)現(xiàn)了一類廣泛的轉(zhuǎn)座子編碼的RNA引導(dǎo)核酸酶，并將其命名為OMEGA系統(tǒng)（包括IscB、IsrB、Tnp8）。該系統(tǒng)被認(rèn)為是CRISPR-Cas9的祖先。OMEGA系統(tǒng)使用一段RNA來指導(dǎo)切割DNA雙鏈，即ωRNA。更重要的是，這些核酸酶很小，僅為Cas9的大約30%，這意味著它們可能更容易被遞送到細(xì)胞中。
12、發(fā)現(xiàn)可以切割蛋白質(zhì)的CRISPR-Cas系統(tǒng)
2022年11月3日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Science 期刊發(fā)表論文【13】。該研究確定了Cas7-11這種III-E型CRISPR相關(guān)蛋白酶（CASP）的蛋白底物、結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制，揭示了CRISPR系統(tǒng)除了作為核酸酶，還可以切割蛋白質(zhì)，并開發(fā)了可在體外和人類細(xì)胞中用于檢測(cè)RNA的RNA傳感。
13、全面繪制人類所有轉(zhuǎn)錄因子圖譜
2023年1月5日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表了論文【14】。該研究創(chuàng)建了一個(gè)涵蓋了人類所有轉(zhuǎn)錄因子異構(gòu)亞型（共3548個(gè)）的條形碼文庫(kù)，并將其用于構(gòu)建轉(zhuǎn)錄因子圖譜（TF Atlas），以單細(xì)胞分辨率繪制了每個(gè)轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)在人類胚胎干細(xì)胞（hESCs）中引起的表達(dá)譜變化。這個(gè)全面的轉(zhuǎn)錄因子圖譜既可以系統(tǒng)地識(shí)別驅(qū)動(dòng)細(xì)胞狀態(tài)變化的轉(zhuǎn)錄因子，也可以對(duì)孤兒轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行分類等研究，還可以用來預(yù)測(cè)和驗(yàn)證不同轉(zhuǎn)錄因子組合對(duì)細(xì)胞的影響。
14、開發(fā)基于細(xì)菌“注射器”的蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)
2023年3月29日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Natrue 期刊發(fā)表論文【15】。該研究通過AlphaFold輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)——改造、利用獨(dú)特的細(xì)菌“注射器”將蛋白質(zhì)注射到人類細(xì)胞中。這種新型蛋白質(zhì)遞送方式或?qū)⒏淖兓蛑委?、癌癥治療等前沿療法格局，具有強(qiáng)大的應(yīng)用前景。
15、首次在真核生物中發(fā)現(xiàn)CRISPR樣系統(tǒng)
2023年6月28日，張鋒團(tuán)隊(duì)在 Nature 期刊發(fā)表論文【16】。該研究在真核生物中發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)RNA引導(dǎo)的DNA切割酶——Fanzor，更重要的是，這種新型CRISPR樣系統(tǒng)，可以在重編程后實(shí)現(xiàn)對(duì)人類基因組的編輯。相比CRISPR-Cas系統(tǒng)，F(xiàn)anzor系統(tǒng)非常緊湊，更容易遞送到細(xì)胞和組織中。而且，F(xiàn)anzor系統(tǒng)沒有旁系切割活性，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的基因組編輯。這項(xiàng)最新研究也提示我們，RNA引導(dǎo)的DNA切割機(jī)制存在于所有生物界。
張鋒實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在在做什么？
在張鋒實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)上，他將自己實(shí)驗(yàn)室的研究分成了三大方向：開發(fā)可編程療法、恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、發(fā)現(xiàn)天然系統(tǒng)。
開發(fā)可編程療法
我們能加快新療法的開發(fā)嗎？實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是創(chuàng)建模塊化系統(tǒng)，可以互換結(jié)合治療分子，如基因編輯組件和遞送載體。通過專注于為治療干預(yù)和遞送創(chuàng)建兼容和可擴(kuò)展的平臺(tái)，可以快速生成大量適合各種情況的治療方法。
恢復(fù)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)
我們能否在不改變細(xì)胞命運(yùn)的情況下調(diào)控細(xì)胞狀態(tài)？實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是確定可以用來調(diào)控細(xì)胞狀態(tài)的方法。這些方法將為諸如損傷、退行性疾病甚至衰老等沒有明確遺傳原因的疾病提供新的治療途徑。
發(fā)現(xiàn)天然系統(tǒng)
我們能通過挖掘自然多樣性來發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)嗎？實(shí)驗(yàn)室致力于通過發(fā)現(xiàn)天然系統(tǒng)來推進(jìn)我們對(duì)分子機(jī)制、細(xì)胞功能甚至有機(jī)體生物學(xué)的理解，使用計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法來發(fā)現(xiàn)和表征新的天然系統(tǒng)。
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