虽然人类战争可以持续数百年，但与人类之间正在进行的战斗相比，它们算不了什么。 菌 和 病毒 感染他们， 噬菌体. 这场苦涩的争执已经延续了数百年 百万 多年来，助长了所谓的“进化军备竞赛”。 细菌已经建立了各种分子增强体来击退病毒的攻击，但所有这些防御都可以被克服。 最终，该 原核生物 进化出适应性免疫系统： CRISPR. 就像它的人类对应物一样，这种有效的途径让细菌记住过去的威胁并迅速消灭返回的病毒入侵者。 你可能认为故事会就此结束，但噬菌体以令人着迷的“反 CRISPR”武器库反击 蛋白质.
寻求就必寻
第一个 CRISPR-CAS号 系统抑制剂于 2013 年 XNUMX 月被发现，大约在同一时间 Cas9介导的 基因组编辑 已在人体成功证明 细胞. Alan Davidson 和他的实验室正在多伦多大学研究噬菌体生物学，并想知道为什么噬菌体能够克服如此多的细菌防御，但似乎无法绕过 CRISPR。 与噬菌体专家和频繁合作者 Karen Maxwell 一起，他们预测可能存在噬菌体编码的“抗 CRISPR”活性并着手寻找它。
狩猎得到了回报，产生了五个不同的噬菌体家族 基因 抑制 IF CRISPR 系统 绿脓杆菌. 在这一具有里程碑意义的发现之后，同一小组发现了越来越多的编码抗 CRISPR 蛋白的基因，共有 14 个家族。 到目前为止，所有鉴定出的蛋白质都很小，只有大约 50-150 个残基长 (~10-20 kDa)。 许多蛋白质会阻断 IF 系统，其他蛋白质则针对 IE，而与 Peter Fineran 共同发现的一种蛋白质实际上同时抑制了两者！ 与具有单一执行器 Cas9 的流线型 II 型系统不同，I 型系统采用多蛋白干扰复合物，称为 级联 绑定 的DNA 目标和招募 核酸酶-解旋酶 Cas3 摧毁他们。 来自不同亚型的效应复合物具有不同的亚基，序列同源性极低，因此抗 CRISPR 的跨亚型抑制是出乎意料和有趣的。
迄今为止的抗 CRISPR 出版物摘要。
微不足道的蛋白质打了一拳
这一发现是在另一个机械方面的惊喜之后出现的。 一年前，加拿大团队发表了一篇令人难以置信的论文，展示了每种已鉴定的 IF 抑制剂蛋白如何以独特的方式使 CRISPR 发挥作用。 他们与 Blake Wiedenheft 合作，Blake Wiedenheft 是 IF 干扰复合物的专家，也是 CRISPR 生物学研究的核心参与者。 他们一起发现，两种抗 CRISPR 阻断了 IF 复合物与 DNA 的结合，但它们与不同的亚基组结合。 另一个坚持 Cas3 并阻止其招募到 IF 复合体。
这种相互作用在 2016 年夏天得到了进一步的详述，当时一个新的小组加入了竞争并结晶了抑制剂-Cas3 复合物。 这种抗 CRISPR 似乎充当二聚体，阻止 Cas3 水解 ATP、结合 DNA 或接触干扰复合物。 另一组新人在几个月后发表了类似的结构和一个单独的抗 CRISPR。 接下来，Maxwell 和 Davidson 的团队发表了不同抗 CRISPR 蛋白的 NMR 结构并绘制了其功能界面图。
与它们抑制的 Cas 蛋白结合（左）或单独（右）的抗 CRISPR 蛋白的原子结构。
这些结构-功能研究表明，抗 CRISPR 蛋白是一种多功能、强大的武器，尤其是当噬菌体携带不止一种或与另一种装备精良的原核生物共感染时 病毒. 即使 Cas 蛋白进化到掩盖了一种抑制剂的结合表面，另一种抗 CRISPR 小部件仍然可以发挥作用。
现在都在一起了
继他们富有成效的合作之后，戴维森、麦克斯韦和维登赫夫特与低温电子显微镜专家 Gabe Lander 合作，开始了结构研究。 在 2017 年 XNUMX 月底在线发布的一篇精彩论文中，研究人员确定了一个带有三种抗 CRISPR 蛋白的 IF 干扰复合物的原子模型。 这不仅是 IF 效应复合物的第一个高分辨率结构，也是第一个展示多种抑制剂如何同时结合和削弱 CRISPR 复合物的结构，提供了引人入胜的机制见解。
其中一种抗 CRISPR 通过粘附在两个重复的骨架蛋白上来防止复合物与目标 DNA 结合。 因为有六个这样的亚基，该结构容纳了该抑制剂的两个独立拷贝，他们之前的工作表明最多三个可能能够同时结合。 对我来说，最显着的发现是另一种抗 CRISPR 蛋白似乎通过优雅地模仿 双链 DNA（见下文）。 阅读全文 点击此处.
B 型 DNA 和抗 CRISPR 蛋白 AcrF2 中的负电荷（红色和橙色），它们以假螺旋模式排列。
用安全剪刀进行基因编辑
除了表征 I 型 CRISPR 抑制剂的令人兴奋的进展外，第一个阻碍 II 型系统的抗 CRISPR 蛋白于 2016 年底亮相。与 Erik Sontheimer 一起， RNA 生物学家和 CRISPR 创新者，多伦多团队发现了三个新的抗 CRISPR 家族，它们专门抑制 II-C 型 Cas9 蛋白从 脑膜炎奈瑟菌. 抑制剂直接与 Cas9 结合，可用于阻断两者 基因组 通过编辑和转录抑制 克里斯普里 在培养的人体细胞中。
进入新的一年不到几周，加州大学旧金山分校教职员工和戴维森实验室校友 Joe Bondy-Denomy 描述了另外四种针对 II 型系统的抗 CRISPR。 令人兴奋的是，这些新发现的蛋白质抑制了最广泛用于基因编辑的 Cas9 类型，即来自 化脓性链球菌. 因此，这些抗 CRISPR 可用于减少人类细胞中的基因组编辑和基因抑制。
有一个整洁的视频摘要 补充 2016 年的论文，请在下面查看：
下一步是什么？
迄今为止，研究人员已经确定了 21 个抗 CRISPR 蛋白家族。 我没有足够的空间来介绍用于寻找这些新型抑制剂的有趣方法，但我希望通过这些和未来的方法会发现越来越多的抗 CRISPR。 我希望看到使用 Csm 和 Cmr 复合物的 III 型系统抑制剂，以及除 Cas9 以外的 II 类单一效应蛋白： Cas12a (Cpf1)、Cas12b (C2c1)、 Cas13a (C2c2)、Cas13b、CasX、CasY 以及其他任何即将到来的东西。
除了有趣的生物学之外，Cas9 抑制剂也是基因组操作工具箱中受欢迎的补充。 虽然科学家们炮制了许多可诱导的 Cas9 方案，但没有关闭开关。 抗 CRISPR 为基因工程增加了另一层控制。 它们可能被用来避免 不中 编辑，使非目标组织中的切割失活，或在不适当的细胞周期或发育阶段阻止活动，特别是为了防止在动物胚胎中引起不希望的嵌合现象的编辑事件。 CRISPR-Cas9 关闭开关在正在进行的关于负责任的讨论和研究中可能特别重要 基因驱动 设计和生物安全。
我敢肯定，有许多应用程序是我无法想象的。 多好 细胞/组织 和细胞培养工作转化为在生物体中的使用还有待观察，但很高兴看到人们提出了什么。 抗 CRISPR 已经进入 科幻小说 情节线，谁知道他们接下来会在哪里？
