专访哈工大黄志伟教授:Nature破译分子机制,让CRISPR更高效、更可控

黄志伟教授

2017年4月27日，哈尔滨工业大学生命科学与技术学院黄志伟教授课题组在Nature杂志上发表一项题为“Structural basis of CRISPR–SpyCas9 inhibition by an anti-CRISPR protein”的新成果。论文揭示了改写生命的“神奇剪刀”——CRISPR系统“关闭开关”anti-CRISPR抑制SpyCas9活性的分子机制。

CRISPR/Cas系统原本是细菌用来保护自身免受噬菌体感染的适应性免疫系统。近几年，CRISPR/Cas9（SpyCas9）已经在全世界范围内被广泛应用于生物医学研究。基于这项基因编辑技术的一些临床试验也正在开展中。考虑到临床应用的安全性等问题，目前，全球各国的科学家们正积极解决因过度激活或长时间发挥作用引发的基因编辑脱靶效应问题。

2016年12月，Cell杂志发表了一项重要成果（论文：Inhibition of CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins）。这一研究找到了在细菌和人类细胞中都能阻止CRISPR系统基因编辑活性的“关闭开发”anti-CRISPRs：AcrIIA2和AcrIIA4。它们能够阻断CRISPR系统中Cas9/SpyCas9酶的活性。 科学家们认为，anti-CRISPR的发现将为改善CRISPR系统的安全性提供重要的手段。

那么，这些anti-CRISPR抑制SpyCas9活性的分子机制是怎样的呢？黄志伟教授研究组的这篇Nature论文回答了这一问题。【详细】研究小组称，这一成果为设计时间或空间上特异性或条件性精确控制SpyCas9活性的基因编辑工具提供了结构基础。

在接受生物探索采访时，黄志伟教授说：“目前，世界各国的研究小组正在开展CRISPR技术用于多种疾病治疗的研究。如果想要这一技术在临床上得以应用，必须确保其安全性。这就好比，对于汽车来说，动力系统和制动系统都是不可或缺的。 我们必须找到CRISPR系统的‘制动系统’，使其活性具有可控性。”

进入CRISPR领域顺理成章，多项成果“解密”不同系统

事实上，开展CRISPR相关研究仅两三年的黄志伟教授研究组已先后在Nature、Cell Research等杂志上发表了多项研究成果。“CRISPR是细菌的适应性免疫系统。 我们实验室原本就在开展病原与宿主相互作用相关的研究。进入CRISPR这一领域也算是顺理成章。”他说。

2016年，黄志伟教授研究组在Nature杂志发表了团队的首篇CRISPR论文（上图）。研究通过结构生物学和生化研究手段揭示了CRISPR-Cpf1识别crRNA以及Cpf1剪切pre-crRNA成熟的分子机制。 这一成果为成功改造Cpf1系统，使之成为特异、高效的全新基因编辑系统提供了结构基础。

据了解，2015年9月，CRISPR先驱张锋带领的研究组在Cell杂志上发表的一篇论文中首次提出了新型基因编辑系统CRISPR/Cpf1。随后，包括黄志伟教授团队在内的多个研究小组对该系统展开研究，多项成果已发表在Cell、Nature、Nature Biotechnology等杂志上。 目前，黄志伟教授研究组正在利用CRISPR/Cpf1在艾滋病治疗方面做一些尝试和应用。

今年4月，除了发表上述Nature成果外，黄志伟教授团队还在Cell Research发表了题为“Structural basis of stringent PAM recognition by CRISPR-C2c1 in complex with sgRNA”的论文，揭示了CRISPR-C2c1系统背后的分子机制。黄志伟教授告诉生物探索：“由于CRISPR-C2c1系统发挥活性所需的温度比较高，因此它还不能够在活细胞中进行基因编辑。我们希望在对其结构进行解析后，再对它进行改造，从而提高这一系统的应用价值。”

走进生命科学，他并不后悔

尽管现在已经在生命科学领域取得了大量杰出的研究成果，但黄志伟教授最初在本科时期攻读的是化学专业。他告诉生物探索， 2000年左右，包括克隆羊在内的很多科学事件的发生让他对生命科学产生了浓厚的兴趣。这也促使他下定决心转读生命科学专业的研究生。

2003年，他成功考取北京生命科学研究所和中国农业大学联合培养的直博研究生。在中国农业大学学习一年后，于2004年下半年进入北京生命科学研究所，师从从普林斯顿大学回国的柴继杰教授。 读博期间，黄志伟教授先后以第一作者的身份在Cell子刊和Nature子刊上发表了两篇论文，并因此顺利申请到去哈佛大学做博士后的机会。

采访中，黄志伟教授表示，他并不后悔转入生命科学领域，这一路以来遇到了很多良师益友。直到现在，博士导师柴继杰教授做研究的方式和态度仍深深影响和激励着他。

黄志伟教授（中间）及其团队成员

哈工大首篇Nature，破解领域30余年谜题

2012年3月，黄志伟教授结束了他在哈佛大学的“博士后之旅”，正式加入哈尔滨工业大学。 仅仅用了一年多的时间，他就交出了哈工大首篇Nature的“好成绩”。

这篇2014年1月发表的题为“Structural basis for hijacking CBF-β and CUL5 E3 ligase complex by HIV-1 Vif”的论文首次揭示了艾滋病病毒研究领域一直备受关注的艾滋病病毒毒力因子（Vif）的结构，破解了这一领域30余年的谜题；阐明了Vif“劫持”人CBF-β以及CUL5 E3 连接酶复合物的分子机制；为设计靶向该复合物的全新艾滋病药物提供了结构基础。

5年成果不断，专注+投入是“秘诀”

截至目前，在哈工大短短5年的时间，黄志伟教授已经以通讯作者的身份发表了3篇Nature论文，并以共同作者的身份发表了1篇Science论文。 那么，让实验室快速发展，并发表如此多重要成果的“秘诀”是什么呢？黄志伟教授向生物探索强调了两个关键词：专注、投入。他说，研究组一直专注于病原与宿主相互作用的研究，同时，小组成员也为此投入了大量的时间与精力。此外，他还表示，论文想要发表在国际顶级期刊上，研究结果不仅需要新颖，还需要有重要的科学意义和应用价值。

除了学术成就外，2016年10月，年仅37岁的黄志伟教授还被任命为哈尔滨工业大学生命科学与技术学院院长。

黄志伟教授告诉生物探索：“行政工作是服务性的工作。我希望能够为全院师生提供更好的资源和条件。当然，这些工作也势必会占据部分原本用于做科研的时间。为了能够使科研工作尽可能少受影响，一方面，我需要加大时间的投入；另一方面，提高工作效率也是非常必要的。”

采访的最后，黄志伟教授强调，做科研需要很强的意志和韧性。因为，失败是科研中的“家常便饭”。同时，科研需要长时间的投入，因此，需要耐得住“寂寞”。很多学生一开始不确定自己能不能做下来，对自己不是很有信心，但是当真正有收获，有“正反馈”后，继续做下去的欲望会越来越强烈。此外，勤奋和不断学习也是做好科研的重要条件。