在病毒中发现新的紧凑型基因组编辑器
在自然界， CRISPR 是一种免疫防御 菌 和其他微生物利用这些基因来识别和切割入侵病毒的基因组，从而保护自己免受病毒侵害。2020 年，创新 基因组学 研究所在一个看似不可能的地方发现了 CRISPR-Cas 系统：在 病毒.
在一个 细胞杂志上的新论文由加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna、Jill Banfield、David Savage 和 Brian Staskawicz 等多名 IGI 研究人员以及加州大学洛杉矶分校的 Steve Jacobsen 实验室合作完成的一项新研究报告称，感染细菌的病毒（噬菌体或简称“噬菌体”）中 CRISPR 系统的多样性远比预期的要丰富，可能成为新的高效 CRISPR 基因编辑技术的宝贵来源。 基因组 适用于人类、植物和其他生物的编辑器。
良好的 CRISPR 搜寻
在噬菌体中发现 CRISPR 系统并非侥幸。 第一作者 巴塞姆·沙耶布，当这项研究开始时，他是 Banfield 和 Doudna 实验室的研究生，他有理由怀疑他会在噬菌体中发现 CRISPR 系统，并且它们可以证明对 基因组编辑.
“与许多细菌相比，噬菌体对基因组大小的限制往往更多，因此其基因组上编码的蛋白质往往要小得多。我推断，噬菌体可能是寻找紧凑型 CRISPR-Cas 系统的绝佳场所，”Al-Shayeb 说道。
对于 基因 编辑时，大小很重要：基因编辑分子越小，就越容易将其递送到细胞中，从而对基因进行所需的改变。 的DNA. 在2020年的研究中研究小组在一群异常大的噬菌体中发现了 CRISPR 系统，这些噬菌体被称为“巨噬菌体”。虽然噬菌体很大（对于病毒来说），但负责实际切割 DNA 的 CRISPR 相关蛋白，即“CAS号 蛋白质”的简称，相对于广泛使用的 Cas9 蛋白质 来自细菌。而且这种新蛋白质不仅个头小，而且有效：该团队能够利用这种名为 CasΦ (Cas-phi) 的新蛋白质对哺乳动物细胞和植物细胞进行基因编辑。这一发现只是冰山一角。
对于这篇新论文，Al-Shayeb 及其同事使用以下方法对噬菌体进行了更广泛的调查 宏基因组 对土壤、水生、人类和动物微生物样本的分析，发现了意想不到的多样性，包括所有六种已知类型的 CRISPR 系统，分布在 6000 多种噬菌体中，而不仅仅是巨噬细胞。 与 CasΦ 一样，这些新发现的 Cas 蛋白与在细菌中发现的蛋白相比都非常紧凑。
抗病毒病毒
一个关键问题是，为什么病毒会随着 CRISPR 系统四处走动……杀死病毒？ 作为粗略的比较，想象一下如果您发现一只蚂蚁手持一小罐 Raid，您会感到惊讶。
“这是我的第一个问题，”Doudna 实验室的博士后兼该论文的合著者 Abby Stahl 说。 “我认为 CRISPR 系统主要被细菌用于抗噬菌体防御，突然间我了解到它们也存在于噬菌体中。 他们在那里做什么？
主流理论认为，这些 CRISPR 系统在与其他噬菌体竞争时赋予噬菌体优势：入侵的 噬菌体 噬菌体自身拥有宿主，而其 CRISPR 系统则有助于抵御其他潜在攻击者。不同谱系的噬菌体如何获得 CRISPR 系统仍未得到解答。
显而易见的是，这些噬菌体编码的 CRISPR 系统不仅体积小，而且非常独特。 在新描述的 CRISPR 系统和 Cas 蛋白的多样性中，该团队选择专注于一种特别小的蛋白质，其结构不同于之前描述的任何其他蛋白质，他们称之为 Casλ (Cas-lambda)。
“说到蛋白质本身，它的结构不同于任何已知的 Cas 蛋白，包括其他病毒超紧凑型 核酸酶 CasΦ，”Doudna 实验室的博士后 Petr Skopintsev 说，他使用低温电子显微镜深入研究了 Casλ 的结构。 “当你在寻找新的 CRISPR 系统时，你正在寻找的东西看起来不像已经确定的东西。 这种蛋白质是独特的。 它是一种新型的超致密蛋白，具有良好的基因组编辑活性。”
为了通过实验验证这一点，该团队在实验室中测试了 Casλ 来编辑哺乳动物和植物细胞的基因组，并将其效率与 Cas12a（最接近的广泛使用的基因组编辑 Cas 蛋白）进行了比较。无需任何额外的工程改造，Casλ 在不同的 细胞 类型。
“我们将其与 Cas12a 进行了基准测试，Cas9a 与 CasXNUMX 一样是该领域的黄金标准。 事实上，它可以表现得一样或更好，而且体积如此之小，这对治疗遗传疾病来说是一个巨大的优势。 但我们也编辑了多种不同的植物，包括传统上很难编辑的小麦，”Al-Shayeb 说。
即使进行了这项更广泛的调查，寻找更好的基因编辑器和其他有用的基因组工具的工作还远未结束。
“总有更多值得探索的地方，”Al-Shayeb 说。 “这就是它的乐趣。”
了解更多：
Basem Al-Shayeb、Petr Skopintsev、Katarzyna M. Soczek、Elizabeth C. Stahl、Zheng Li、Evan Groover、Dylan Smock、Amy R. Eggers、Patrick Pausch、Brady F. Cress、Carolyn J. Huang、Brian Staskawicz、David F . Savage, Steven E. Jacobsen, Jillian F. Banfield, Jennifer A. Doudna。 2022. 多种病毒编码的 CRISPR-Cas 系统包括简化的基因组编辑器. 单元格 185 (24)：4574-4586。 https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.10.020.
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媒体联络： 安迪·默多克，andymurdock@berkeley.edu
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安迪·默多克
