新 CRISPR 系统为基因编辑带来希望

CRISPR-Cas9 最广为人知的是用于编辑 DNA 的实验室工具，但它的自然功能是作为免疫系统的一部分，帮助某些微生物抵抗病毒。现在，研究人员已经使用一种算法对数百万个基因组进行分类，以找到新的、罕见的CRISPR系统，这些系统最终可以适应基因组编辑工具。 “我们对CRISPR系统的多样性感到惊讶，”剑桥麻省理工学院的生物化学家、23月<>日发表在《科学》杂志上的一篇描述这些系统的论文的合著者Feng Zhang说1.“做这种分析可以让我们用一块石头杀死两只鸟：既研究生物学，也有可能找到有用的东西。 单细胞细菌和古细菌使用CRISPR系统来保护自己免受称为噬菌体的病毒的侵害。这些系统通常由两部分组成：“引导RNA”分子，用于识别噬菌体DNA或RNA并与之结合，以及切割或以其他方式干扰向导RNA所指示位点的遗传物质的酶。 到目前为止，研究人员已经确定了六种类型的CRISPR系统，命名为I-VI。它们具有不同的特性，包括它们使用的酶类型以及它们如何识别、结合和切割 RNA 或 DNA。通常用于基因工程的CRISPR-Cas9系统被归类为II型，但其他CRISPR类型的特性可能使它们可用于其他应用。 相似序列 为了在自然界中发现不同的CRISPR系统，Zhang，麻省理工学院的生物工程师Han Altae-Tran和他们的同事开发了一种名为FLSHclust的算法，该算法可以分析公共数据库中的基因序列。这些数据库包含来自细菌和古细菌的数十万个基因组，数以亿计的序列尚未与特定物种相关联，以及数十亿个编码蛋白质的基因。FLSHclust通过寻找基因序列之间的相似性并将它们分组到大约500亿个簇中来发现CRISPR相关基因。 通过观察这些簇的预测功能，研究人员发现了大约130,000个与CRISPR相关的基因，其中188个以前从未见过，并在实验室中测试了几个基因，以找出它们的作用。他们的实验揭示了CRISPR系统用来攻击噬菌体的各种策略，包括解开DNA双螺旋结构，以及以允许插入或删除基因的方式切割DNA。他们还发现了DNA的“抗CRISPR”片段，这些片段可能有助于噬菌体逃避细菌防御。 在这些新基因中，有一个完全未知的CRISPR系统的代码，该系统靶向RNA，该团队将其称为VII型。共同作者、马里兰州贝塞斯达国家生物技术信息中心的生物学家尤金·库宁（Eugene Koonin）表示，找到新的CRISPR系统越来越难。他补充说，VII型 - 以及任何其他尚未确定的类型 - 在自然界中一定是极其罕见的。“可能需要付出巨大的努力才能找到下一个类型。 很难知道某些类型的CRISPR系统是否罕见，因为它们通常对微生物没有用，或者它们是否特别适应生活在特定环境中的生物体，巴黎萨克雷大学的微生物学家Christine Pourcel说。她补充说，由于该研究中使用的遗传数据库包括与特定生物体无关的基因组片段，因此很难研究一些新系统的作用。 令人印象深刻的运输 该算法本身就是一项重大进步，因为它将允许研究人员跨物种寻找其他类型的蛋白质，新西兰但尼丁奥塔哥大学的生物化学家Chris Brown说。“他们能做什么给我留下了深刻的印象，”他说。 “这是生物化学家的宝库，”德国马尔堡大学的微生物学家伦纳特·兰道（Lennart Randau）表示同意。他说，下一步将是找出酶和系统起作用的机制，以及它们如何适应生物工程。布朗说，一些CRISPR蛋白会随机切割DNA，对工程毫无用处。但它们在检测DNA或RNA序列方面非常精确，因此它们可以成为很好的诊断或研究工具。 Altae-Tran说，现在说VII型CRISPR系统或FLSHclust鉴定的任何其他基因是否有助于基因工程还为时过早，但它们具有一些可能有用的特性。例如，VII型仅涉及极少数基因，这些基因可以很容易地适应病毒载体并传递到细胞中。相比之下，研究小组发现的其他一些系统包含非常长的向导RNA，可能使它们能够以前所未有的准确性靶向特定的基因序列。 doi： https://doi.org/10.1038/d41586-023-03697-w