生命科学学院周小明团队在光控CRISPR技术领域取得系列突破

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生命科学学院周小明团队在光控CRISPR技术领域取得系列突破

近期，华南师范大学生命科学学院周小明研究员团队在光控CRISPR技术方向取得系列突破，连续在国际重要学术期刊Nature Communications与Journal of the American Chemical Society在线发表三篇研究论文。华南师范大学均为三篇论文的第一完成单位，生科院田甜和胡梦露副研究员、硕士研究生张冰妮、王翊晖、肖宏锐，以及西湖大学单圆月博士为三篇论文的共同第一作者。华南师范大学周小明研究员，田甜副研究员，胡梦露副研究员，华南师范大学梁芳副研究员，西湖大学裴端卿教授和章明锋博士等为论文的共同通讯作者。研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金原创探索项目、广东省基础与应用基础研究基金、中国博士后科学基金、浙江省重点研发计划等项目的资助。

CRISPR技术凭借其高效、精准的核酸识别与切割能力，在基因编辑和分子诊断等领域展现出广阔应用前景。然而，由于其酶活性的不可控性，在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，在基于CRISPR的体外诊断研究中，其活性不可控导致其难以与核酸扩增体系兼容，严重影响反应效率；在基于CRISPR的基因编辑研究中，则可能引发脱靶效应。因此，开发具有活性可控性的CRISPR系统具有重要意义。为解决这一关键问题，周小明研究团队在前期工作中通过两种方式实现了对CRISPR活性的光化学精准调控：其一，引入与crRNA互补配对的保护性寡核苷酸（p-oligo）（PNAS, 2022, 119 , e2202034119）；其二，将crRNA spacer区域中的3个U碱基替换为6-硝基-3，4-亚甲基二氧苄基氧甲基（NPOM）修饰的T碱基（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, e202300663）。虽然这些策略在CRISPR活性的调控中展现出优异效果，但仍面临两个局限性：一是需针对不同靶标定制设计p-oligo或NPOM修饰的crRNA，通用性不足；二是对于双链DNA靶标的识别高度依赖TTTN PAM位点，限制了靶点设计的灵活性。

为解决通用性问题，研究团队首先系统研究了Cas12a crRNA的重复识别序列的突变对其活性的影响，发现第3与第4位碱基在维持其活性中发挥关键作用。因此，通过在此关键位点引入NPOM修饰，开发了低成本、高通用性的光控Cas12a体系（Nature Communications，2025，16，6694）。进一步结合分裂式crRNA设计，开发出通用光控CRISPR试剂，为一管式诊断体系的普适化应用提供了新策略。

然而，上述策略仍局限于在Cas12a系统中使用。为实现不同CRISPR系统的活性调控，团队提出了一种基于光可切割硫代修饰DNA（PC&PS DNA）的通用型CRISPR调控方法（DNACas）（Nature Communications，2025，16，5939）。该方法利用硫代磷酸（PS）对CRISPR活性的抑制作用，以及光可切割连接子（PC-linker）在紫外光下的断键特性，通过在反应体系中引入PC&PS序列，实现了对Cas9, Cas12b, Cas13a等多类CRISPR系统的简便、快速且普适的调控。该策略无需蛋白工程改造或靶点依赖的gRNA合成，展现出优异的通用性。

随后，为了进一步解决Cas12a体系在识别双链DNA靶标依赖于TTTN PAM位点的问题。研究团队提出了基于光控λ-核酸外切酶反应的可编程酶级联策略（J. Am. Chem. Soc.，2025，147，31004-31015）。该策略通过精确的光触发调控，将核酸扩增、单链DNA生成与CRISPR检测按预设时序依次进行，实现了单管无PAM限制的CRISPR诊断。与此同时，团队利用Cas12a与Cas13a的正交反式切割活性，在一管体系中实现了双基因同步检测，并在结核分枝杆菌临床样本中验证了该方法的临床适用性。