在自然界， CRISPR 是一种免疫防御 菌 和别的 微生物 用来保护自己免受 病毒 通过识别和切割 基因组 入侵的病毒。 2020 年，创新研究所的研究人员 基因组学 研究所发现了一个 CRISPR-CAS号 系统在一个看起来不太可能的地方：在一个 病毒.
在一个 细胞杂志上的新论文，加州大学伯克利分校的多名 IGI 研究人员（包括 Jennifer Doudna、Jill Banfield、David Savage 和 Brian Staskawicz）以及加州大学洛杉矶分校的 Steve Jacobsen 实验室合作报告了新发现，即感染细菌的病毒中 CRISPR 系统的多样性（噬菌体 或简称“噬菌体”）远比预期丰富，可能成为用于人类、植物和其他生物的新型高效基因组编辑器的宝贵来源。
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，噬菌体往往对基因组大小有更多限制，因此 蛋白质 在他们的基因组上编码的那些往往要小得多。 我推断噬菌体可能是寻找紧凑型 CRISPR-Cas 系统的好地方，”Al-Shayeb 说。
针对 基因 编辑，大小很重要：基因编辑分子越小，就越容易将其导入 细胞 这样它就可以对 的DNA. 在2020年的研究中, 该团队在一组异常大的称为“巨噬细胞”的噬菌体中发现了 CRISPR 系统。 虽然噬菌体很大——也就是说，对于病毒——负责实际切割 DNA 的 CRISPR 相关蛋白，简称为“Cas 蛋白”，相对于广泛使用的 Cas9 来自细菌的蛋白质。 这种新蛋白质不仅体积小，而且有效：该团队能够适应这种名为 CasΦ (Cas-phi) 用于在哺乳动物细胞和植物细胞中进行基因编辑。 那个发现只是冰山一角。
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，当噬菌体与其他噬菌体竞争时，这些 CRISPR 系统会给噬菌体带来优势：入侵的噬菌体为自己找到宿主，而它的 CRISPR 系统有助于抵御其他潜在的攻击者。 噬菌体的不同谱系如何能够获得 CRISPR 系统仍然没有答案。
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 以编辑哺乳动物和植物细胞的基因组，并将其效率与 Cas12a 进行了比较，CasXNUMXa 是最接近可比的广泛使用的基因组编辑 Cas 蛋白。 在没有任何额外工程的情况下，Casλ 在不同的细胞类型中表现良好。
“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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