4月21日，哈工大生命学院黄志伟教授团队在《Nature》在线发表了题目为《CRISPR-Cpf1结合crRNA的复合物晶体结构》(《The crystal structure of Cpf1 incomplex with CRISPR RNA》)的研究论文。该项研究通过结构生物学和生化研究手段了CRISPR-Cpf1识别CRISPR RNA (crRNA)以及Cpf1剪切pre-crRNA成熟的机制，这对认识细菌如何通过CRISPR系统抵抗病毒入侵的机理具有十分重要的科学意义，而且为成功Cpf1系统，使之成为的、高效的全新基因编辑系统提供了结构基础，让人们可以更加高效地对目的基因进行“关闭”、“恢复”和“切换”等精准“手术”，使战胜癌症和艾滋病等疾病成为可能。
CRISPR-Cas系统是细菌编码的适应性免疫系统，该系统通过RNA引导的效应蛋白剪切病毒的DNA或者RNA从而抵抗病毒的感染。该系统之一的CRISPR-Cas9系统被用来作为可编程的基因编辑工具用于细胞内目的DNA的剪切、激活表达、修饰、突变等。由于CRISPR-Cas9系统能够在活细胞中高效地、便捷地“编辑”任何基因，作为科研、医疗等领域的强有力工具，已被广泛地应用于全世界的生物和医学实验室。
刚刚发现的CRISPR-Cpf1系统是一类新型的CRISPR-Cas系统，能够在crRNA引导下在人类细胞内剪切目的DNA底物。而且，Cpf1本身也是一个具有序列性的RNase,这也是目前发现的唯一一个具有核酸序列性且同时具有DNase和RNase活性的核酸酶。Cpf1和Cas9很大的不同还在于：Cpf1仅需要一个拷贝的crRNA，而Cas9需要序列更长的tracrRNA和crRNA去识别、剪切底物DNA，较短的crRNA在转染细胞过程中将更高效;Cpf1和Cas9识别DNA底物上的模块(PAM)也不同;Cpf1剪切底物是通过粘性末端剪切，而Cas9是末端剪切，粘性末端剪切将更有利于基因编辑后的修复。
在该项研究中，黄志伟团队首先解析了结合了crRNA的Cpf1复合物的晶体结构。非常意外的是，Cpf1并不是之前人们推测的二聚体状态，而是一个呈三角形的单体，位于该结构中间是一个带有正电荷的凹槽。crRNA通过发卡结构形成高度扭曲的构象紧密结合在Cpf1的核酸结合结构域，和底物DNA配对的crRNA 3末端位于Cpf1凹槽的一端。和Cas9结合的sgRNA显著不同的是，Cpf1结合的crRNA的引导序列部分(guide sequence)并没有电子密度，这说明在没有底物结合的状态下这部分序列和Cpf1的结合比较松散。据黄志伟介绍，结构观察发现一个紧密结合crRNA的六水合镁离子对稳定crRNA构象激活Cpf1的催化活性非常关键。当然，我们也不能排除镁离子也同时直接参与了对底物的催化反应。通过比较Cpf1和Cas9复合物的结构发现，LHD区域推测可能是双链DNA底物结合的PAM区域。
该研究发现Cpf1在没有crRNA结合的状态下处于松散的构象，crRNA的结合引起Cpf1发生显著的构象变化。与Cas9结合sgRNA极为不同的是，仅仅crRNA的重复序列部分(repeat sequence)就能引起Cpf1构象的巨大变化，这反映了这类短小的crRNA与Cas9结合的长sgRNA的识别机制的巨大差别。该结构显示来自于H843、 K852以及K869催化残基侧链上的氮原子位于一个平面上，同时和RNA A(+20)的磷酸基团形成氢键，该结构表明Cpf1剪切pre-crRNA成为crRNA是一个碱催化的反应。
黄志伟为本研究论文的通讯作者，该团队的硕士研究生董德、大四本科生任宽和博士生邱小林3位同学为该论文的并列第一作者。大学生命科学学院高宁教授实验室、王佳伟教授、范仕龙博士参与该研究的部分工作。上海同步辐射中心为晶体数据收集提供了及时有效的支持。本项目受到国家自然科学基金委、哈工大青年科学家工作室等基金的资助。值得一提的是，这是我校本科生第一次在该期刊参与发表研究论文，该文章也是黄志伟团队在我校成立实验室以来在病原与宿主相互作用领域发表在《自然》上又一项研究。
“CRISPR-Cpf1”这个词对大众而言十分陌生，但它将在最尖端的生物科研领域发挥举足轻重的作用。简单来说，CRISPR-Cpf1是一种“基因编辑工具”，能够对基因进行直接，就像文字编辑软件修改文档一样来“修正”基因，甚至能让人们更加高效地对基因进行“关闭”、“恢复”和“切换”等精准“手术”，这让人类彻底战胜癌症和艾滋病等疾病成为可能。CRISPR-Cpf1在2015年底被发现能够在人类细胞中剪切目的DNA，但是如何利用其“编辑”基因，以及它的作用机制一直无人能够。就在近日，工业大学生命学院教授黄志伟及其团队首次了CRISPR-Cpf1识别crRNA的复合物结构。20日，哈工大召开“CRISPR-Cpf1”机制研究重大见面会，向社会公开这一最新研究。
据介绍，该研究论文《CRISPR-Cpf1结合crRNA的复合物晶体结构》将于21日在国际著名学术刊物《自然》(《Nature》)在线发表。
“CRISPR-Cpf1就像一种导弹，而癌症等疾病的基因就是它的目标。以前虽然导弹和目标都有，但一直没有人知道这种弹道如何运作和如何使用，而我的研究就是Cpf1这颗导弹的运行机制和使用方法”。黄志伟教授介绍，和动植物一样，细菌也有抵抗病毒的系统，称之为CRISPR系统。他的研究通过结构生物学和生化研究手段了CRISPR-Cpf1识别CRISPR RNA以及Cpf1剪切pre-crRNA成熟的机制，这对认识细菌如何通过CRISPR系统抵抗病毒入侵的机理具有十分重要的科学意义。黄志伟还发现，Cpf1并不是此前人们推测的二聚体状态，它本身是一个呈三角形的单体，位于该结构中间是一个带有正电荷的凹槽。这些研究为成功Cpf1系统，使之成为的、高效的全新基因编辑系统提供了结构基础。
据了解，如果这一新发现得以应用，人类就可以对癌症和艾滋病等疾病的基因进行“删除”、“修改”等“编辑”，而“编辑”过的基因可以遗传到下一代，从而让人类彻底“消灭”这些疾病。CRISPR-Cpf1也可以对植物的基因进行“编辑”，可以缩短农作物生长周期，延缓农作物，甚至祛除部分病害，这对龙江这样的农业大省将产生深远影响。
提起“编辑”一词，很多人都不陌生，枯燥的文字图片，简单修改一下就可以焕发生机。那么对于人类遗传物质DNA能不能也这么操作，通过“编辑”让那些带有遗传缺陷的基因焕发生机，或者修改替换掉那些进入人体细胞内的病毒基因片段呢?哈工大生命学院黄志伟教授带领的课题组今日凌晨面向全球首次了CRISPR-Cpf1识别crRNA以及剪切pre-crRNA的机制。简单的说，就是对DNA中不好的东西进行“编辑”，修改或替换掉带有遗传缺陷的基因和病毒基因片段，使人类的遗传疾病越来越少。这一研究将人类通过基因工程手段战胜癌症和艾滋病等重大疾病这一构想向前推进了一大步。
21日凌晨，哈工大生命学院黄志伟教授课题组在《自然》(《Nature》)上在线发表了题目为《CRISPR-Cpf1结合crRNA的复合物晶体结构》的研究论文。黄志伟教授此次通过结构生物学和生化研究手段了CRISPHpfl系统的关键工作机制。一连串的英文对于普通人很难理解，为此黄志伟教授对这一研究做了形象的比喻：大家都知道导弹的杀伤力强，但它是如何工作的?怎么能精准执行任务?这好比黄志伟教授研究的课题。黄志伟介绍，在2015年9月，美国哈佛大学的张锋教授公布了全新基因编辑系统CRISPR-Cpf1研究，他们的工作就是将CRISPR-Cpf1这种“导弹”进行拆解，研究其组成机制并了解其如何发挥作用。黄志伟和他的课题组通过三个月的研究完成了这一任务。
那了解这一工作机制能给人类带来什么好处呢?据黄志伟教授介绍，这一机制的发现及应用将进一步人类。比如有些人吃鸡蛋过敏，这是因为鸡蛋里带有使该类人群过敏的蛋白质，利用基因编辑工具将此类基因剪切掉后，就完全可以避免过敏。再比如，蘑菇放一段时间后会褐变，将蘑菇发生褐变的基因剪切掉后，蘑菇放很长时间都不会褐变，始终白白净净的。“这一研究在人类遗传中将提供巨大的贡献”，黄志伟介绍，假如母体自身有癌症或是其他遗传性疾病，那么其孕育的胎儿就可能先天性携带这些病毒DNA，CRISPR-Cpf1能识别出DNA并直接将这些“坏”剪切掉，只留下有利于优化人种的DNA，也就是对DNA特定基因进行精准的“手术”。该机制将人类通过基因工程手段战胜癌症和艾滋病等重大疾病这一构想向前推进了一大步。目前黄志伟教授主要在进行抗艾滋病的研究，将病毒受体基因剪除，如果成功，人体就可能不会再感染艾滋病。同理，利用该技术，攻克遗传性疾病及癌症也成为可能。
据了解，黄志伟教授是哈工大2012年从哈佛大学引进的海外人才，是国家优秀青年基金及省杰出青年基金获得者，也是哈工大青年科学家工作室首席教授。早在2014年1月，黄志伟教授就在《自然》发表了关于艾滋病病毒毒力因子ⅵf结构的研究，为艾滋病病毒的靶向药物设计以及最终攻克艾滋病打开了一扇新的窗户。此次CRISPR-Cpf1识别crRNA以及剪切pre-crRNA机制的研究开始于2015年10月，今年2月2日，黄教授向《自然》，很快便收到了回复，这也是迄今为止他在《自然》上发表论文最快的一次。黄教授为该论文的通讯作者，该课题组的硕士研究生董德、大四本科生任宽和博士生邱小林3位同学为该论文的并列第一作者。这也是哈工大本科生第一次在该期刊参与发表研究论文。
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