四年前的同一天，中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)三個(gè)科研團(tuán)隊(duì)不約而同地發(fā)表了類(lèi)似的科研成果——Cas12f基因編輯器。但由于韓國(guó)團(tuán)隊(duì)搶先申請(qǐng)了專(zhuān)利，拔得頭籌，因而獲得融資。

三年后，上?？萍即髮W(xué)孵化企業(yè)“篆碼生物”另辟蹊徑，憑借擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Cas12n微型基因編輯器，填補(bǔ)了我國(guó)在基因編輯底層技術(shù)領(lǐng)域的空白。

如今，在上科大支持下，“篆碼生物”的Cas12n獲得專(zhuān)利獨(dú)家許可進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，開(kāi)發(fā)針對(duì)遺傳病和慢性病的體內(nèi)基因治療管線(xiàn)，有望為患者提供“一次給藥，終身治愈”的基因療法。目前，Cas12n的專(zhuān)利進(jìn)入了美國(guó)、歐洲、澳洲、日本，實(shí)現(xiàn)了“專(zhuān)利出?！薄?/p>

上?？萍即髮W(xué)孵化企業(yè)“篆碼生物”創(chuàng)辦者——上科大季泉江教授

     眾所周知，基因編輯是一個(gè)很熱門(mén)的學(xué)科。不少遺傳性疾病、致死率高的罕見(jiàn)病、慢性病，都希望通過(guò)基因編輯來(lái)治療。

     那么，基因編輯器的作用是什么？遺傳性疾病有很多種機(jī)制導(dǎo)致，有的是因?yàn)榛蛲蛔?，有的是因?yàn)榛蛉笔У龋蛲蛔兓蛉笔Ш?，?dǎo)致這種蛋白變成一種有害的蛋白或失去了原本的功能?！白a生物”創(chuàng)辦者——上科大物質(zhì)學(xué)院季泉江教授解釋?zhuān)谥委熯^(guò)程中，我們需要把有害蛋白的含量“敲低”，“敲低”的策略有好幾種策略：基于底層核酸酶，用基因編輯核酸酶編碼把這個(gè)有害蛋白的基因“打斷”，在重新修復(fù)回去的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生移碼突變，有害基因就變?yōu)椤安槐磉_(dá)”，從而實(shí)現(xiàn)疾病的治療。

季教授團(tuán)隊(duì)成員在做實(shí)驗(yàn)。 李蕾 攝影

     除了做基因“敲除”，底層核酸酶還能做基因“插入”，后者應(yīng)用的場(chǎng)景會(huì)更多。比如有的病人身體中某種特定的有益蛋白比較少或缺失，那就需要增補(bǔ)，需要通過(guò)基因編輯把原先的基因位點(diǎn)打斷，把外來(lái)的有益基因“端”進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)基因的增補(bǔ)。

     然而，這種神奇的基因剪刀——Cas9的核心專(zhuān)利都在美國(guó)，要想使用 ，要么向別人付費(fèi)，要么擁有自己的基因編輯器。

     更重要的是，傳統(tǒng)CRISPR/Cas9系統(tǒng)在體內(nèi)基因治療領(lǐng)域存在分子尺寸大、遞送難、脫靶多和免疫原性高等諸多限制?！霸缙?，人們把CAS核酸酶分成兩半，裝成兩個(gè)殼子來(lái)遞送，但這樣效率會(huì)變低?！币虼?，大家把研發(fā)的目光聚焦到“微型”基因編輯器上，因?yàn)楹怂崦阁w積越小，越方便遞送、方便接入，更容易實(shí)現(xiàn)“在體基因編輯”。      

     2016年，季泉江回國(guó)加入上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，組建了化學(xué)生物學(xué)與基因編輯實(shí)驗(yàn)室，并開(kāi)啟了針對(duì)這一“卡脖子”難題的科研攻堅(jiān)。2021年，團(tuán)隊(duì)在《自然-化學(xué)生物學(xué)》（Nature Chemical Biology）發(fā)文報(bào)道了微型基因編輯器—Cas12f，其分子尺寸僅為Cas9蛋白的三分之一，且能夠在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)揮有效的基因編輯功能。

Cas12f與Cas9的大小比較。（來(lái)源：科普中國(guó)）

     Cas12f的刊發(fā)，在國(guó)際上首次證明了微型基因編輯器具有哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因編輯活性。

     然而，全球頂尖的王牌團(tuán)隊(duì)都把目光瞄準(zhǔn)在微型基因編輯器的研發(fā)，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。“在我們這個(gè)領(lǐng)域，最怕的就是，一覺(jué)醒來(lái)，刊物上別的研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了和你正在研究的一模一樣的東西?！?nbsp;果然，就在季泉江教授關(guān)于Cas12f科研成果刊發(fā)的同一天，韓國(guó)、美國(guó)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也發(fā)表了類(lèi)似的科研成果。同樣在2023年，季泉江團(tuán)隊(duì)關(guān)于Cas12f蛋白結(jié)構(gòu)與工程的文章發(fā)表時(shí)，日本、美國(guó)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也發(fā)表了類(lèi)似文章。

      創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，只有第一，沒(méi)有第二。由于韓國(guó)比我們?cè)鐜讉€(gè)月率先申請(qǐng)了Cas12f的專(zhuān)利，并獲得了融資。

     “你追我趕”之中，換個(gè)設(shè)計(jì)、思考路徑，或許“柳暗花明又一村”。為了進(jìn)一步獲得真正具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型基因編輯器，季泉江帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)朝著更具有原創(chuàng)性的基因編輯系統(tǒng)發(fā)起了挑戰(zhàn)。

     語(yǔ)速極快，是季教授留給記者最深的印象之一，這或許是長(zhǎng)期習(xí)慣“爭(zhēng)分奪秒”練就的。那一段時(shí)間，季教授整天對(duì)著電腦看公開(kāi)的基因測(cè)序結(jié)構(gòu)，究竟有沒(méi)有一種更高效、更迷你的基因適合當(dāng)編輯器？季教授一直在不斷尋找、設(shè)計(jì)新的解決路徑。

     功夫不負(fù)有心人。2020年，受文獻(xiàn)資料的啟發(fā)，季教授發(fā)現(xiàn)Cas12n的結(jié)構(gòu)、大小都十分符合理想的迷你基因編輯器。于是，季泉江帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用Cas12n做細(xì)菌實(shí)驗(yàn)，意外地發(fā)現(xiàn)它基因編輯工作得和Cas9一樣好，大家都驚呆了——這么好用的東西，大家以前竟然沒(méi)有去嘗試證明。

Cas12n基因編輯器主要構(gòu)成部件。

     原來(lái)，Cas核酸酶是基因編輯器的核心部件，而Cas12n的核酸酶主要來(lái)自細(xì)菌——一株來(lái)自中國(guó)南海海底海面上的微生物，是一類(lèi)從未被研究過(guò)的微型核酸酶。季教授憑借經(jīng)驗(yàn)，用肉眼把它從數(shù)據(jù)庫(kù)中“挖”了出來(lái)。也正是因?yàn)檫@一核酸酶來(lái)源的稀缺性，免疫原性很低，能讓更多的患者通過(guò)基因編輯進(jìn)行治療。

     為何獨(dú)具慧眼？與別的課題組不同的是，季教授的課題組早期是做微生物的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌中Cas12n完全可以勝任基因組編輯?！罢?yàn)橛羞@樣正向的結(jié)果使我們堅(jiān)信，Cas12n的編輯功能是完整的?！奔窘淌谡f(shuō)，早期，大家對(duì)基因編輯還不是很了解，可能有許多盲目的嘗試，后期機(jī)理研究清楚了，實(shí)現(xiàn)路徑就變得更重要了。這一點(diǎn)，也是季教授在課堂上和學(xué)生們一直強(qiáng)調(diào)的，“多思考路徑，有些東西即使重復(fù)多次也還是做不出來(lái)，因?yàn)榉椒?、路徑就錯(cuò)了?！?/span>

     發(fā)現(xiàn)Cas12n，并不容易。

   “因?yàn)樗[藏得很深。”季泉江教授解釋?zhuān)话銇?lái)說(shuō)，Cas核酸酶的引導(dǎo)RNA通常在核酸酶的非編碼區(qū)，但是Cas12n的引導(dǎo)RNA卻隱藏在核酸酶的編碼區(qū)內(nèi)部，通過(guò)序列比對(duì)、基因測(cè)序是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的。“在此之前，從來(lái)沒(méi)有一個(gè)引導(dǎo)RNA是在編碼區(qū)的?！?/span>

     在一次偶然的小RNA測(cè)序中，季教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在編碼區(qū)內(nèi)有一個(gè)RNA的富集區(qū)。于是，團(tuán)隊(duì)大膽猜測(cè)：這很可能就是引導(dǎo)RNA。果然，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。

     后面的道路也并非一帆風(fēng)順?！按蠹s有兩年的時(shí)間，我們?cè)诓粩嗟貙?shí)驗(yàn)，但是始終沒(méi)有正向結(jié)果，在幾乎要放棄的時(shí)候，我們終于捕捉到一個(gè)哺乳細(xì)胞樣品有了效果?！?團(tuán)隊(duì)副研究員吳兆韡感嘆，從0到1的過(guò)程往往是最痛苦、最漫長(zhǎng)的，在不斷嘗試、不斷失敗中逐漸明晰未來(lái)的道路。

     Cas12n的引導(dǎo)RNA非但隱蔽，而且很長(zhǎng)。由此帶來(lái)的問(wèn)題是，通過(guò)化學(xué)合成引導(dǎo)RNA是比較困難的。因?yàn)?，通?；瘜W(xué)合成的極限在150nt（堿基長(zhǎng)度單位），Cas12n引導(dǎo)RNA的長(zhǎng)度在180-200nt左右，為此，后期季教授團(tuán)隊(duì)做了很多改善，把Cas12n的引導(dǎo)RNA縮短到130nt左右。

     歷經(jīng)研究階段的反復(fù)試錯(cuò)，2023年，季泉江團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《分子細(xì)胞》（Molecular Cell）上發(fā)表論文，首次報(bào)道了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效精準(zhǔn)微型基因編輯器——Cas12n，其創(chuàng)新型和應(yīng)用前景都超過(guò)了Cas12f。從跟跑到領(lǐng)跑，填補(bǔ)了我國(guó)在基因編輯底層技術(shù)領(lǐng)域的空白，為開(kāi)發(fā)基因編輯療法提供了更高效、更易遞送的工具。

     國(guó)際上有個(gè)平臺(tái)——Addgene，這是一個(gè)分享科學(xué)的平臺(tái)。季教授把有關(guān)Cas12n的工具、數(shù)據(jù)都放在這個(gè)平臺(tái)上公開(kāi)，如果有人需要即可直接在上面獲取?！拔恼掳l(fā)表后，很多人來(lái)索要Cas12n?！庇械氖撬饕狢as12n的相關(guān)數(shù)據(jù)，有的是索要發(fā)現(xiàn)Cas12n的一套方法路徑，來(lái)探索他們自己以前難以發(fā)現(xiàn)的東西。這種全新的研究路徑，體現(xiàn)了這個(gè)科研成果更廣泛的價(jià)值。

     在上科大的幫助下，季教授團(tuán)隊(duì)找到了一家有經(jīng)驗(yàn)的律所，完成了海內(nèi)外的專(zhuān)利布局。目前，Cas12n的專(zhuān)利進(jìn)入了美國(guó)、歐洲、澳洲、日本，實(shí)現(xiàn)了“專(zhuān)利出?！??！皩?zhuān)利主要看第一個(gè)專(zhuān)利申請(qǐng)的日期，即優(yōu)先權(quán)日期。有了Cas12f的經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)在2021年時(shí)就申請(qǐng)專(zhuān)利了，文章在2023年正式刊發(fā)前，一年之內(nèi)團(tuán)隊(duì)補(bǔ)全了各種數(shù)據(jù)。

Cas12n的基因數(shù)據(jù)被索要超過(guò)100次，

Addgene平臺(tái)給季教授頒發(fā)了“藍(lán)色火焰”獎(jiǎng)杯。

     在學(xué)校和學(xué)院的支持下，季泉江與團(tuán)隊(duì)副研究員吳兆韡參加了上?？萍即髮W(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，受到了投資機(jī)構(gòu)的關(guān)注。他們創(chuàng)立了上?？萍即髮W(xué)孵化的初創(chuàng)企業(yè)——篆碼生物（寓意“篆刻生命的密碼”），成立之初便獲得了來(lái)自?xún)绶浇】祷鸬莫?dú)家數(shù)千萬(wàn)元種子輪融資。公司與上科大簽署專(zhuān)利組合全球獨(dú)占許可協(xié)議，開(kāi)展產(chǎn)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

     目前，季教授團(tuán)隊(duì)對(duì)Cas12n的研究還在進(jìn)行中?！耙蔀樗幬?，還需要篩選各種靶點(diǎn)，因?yàn)榧词雇粋€(gè)基因的不同的靶點(diǎn)，也有不同的編輯活性；同時(shí)還需要在各種動(dòng)物模型中做測(cè)試。

     站在Cas12n這一原創(chuàng)性突破的基石上，團(tuán)隊(duì)正加速繪制基因治療的未來(lái)圖譜。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在未來(lái)建立基于微型基因編輯器的模塊化治療平臺(tái)，將Cas12n與多種遞送系統(tǒng)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出可編程的基因藥物，用于治療目前缺乏治療方案的遺傳性疾病和罕見(jiàn)病。