Nature：重磅！发现两种新的CRISPR系统
在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员在之前未被探究过的很难在实验室里培养的细菌中发现简单的类似于CRISPR-Cas9---一种已引发生物学变革的基因编辑工具---的CRISPR系统。相关研究结果于2016年12月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“New CRISPR–Cas systems from uncultivated microbes”。
这些新的CRISPR系统是高度紧凑的，适合于在地球上的一些最小的生物体内存在。如果这些系统也能够像CRISPR-Cas9那样接受改造，那么它们较小的尺寸使得它们更容易插入到细胞中进行DNA编辑，从而扩大科学家们和医生们能够获得的基因编辑工具箱。
论文共同通信作者、加州大学伯克利分校地球与行星科学教授、环境科学、政策和管理教授Jill Banfield说，“这些是特别令人关注的，这是因为在这些CRISPR系统中的一种关键蛋白几乎与Cas9是一样的，但不是Cas9。它是一种具有明显的基因编辑潜力的最小系统中的一部分。”
在CRISPR-Cas系统中，Cas蛋白是分子剪刀。当靶向特异性的DNA序列时，Cas蛋白结合并切割双链DNA。这一新发现几乎让潜在地用作实验室和生物医学工具的简单而又紧凑的CRISPR-Cas系统的数量增加一倍。
论文共同通信作者、加州大学伯克利分校分子与细胞生物学教授、化学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员Jennifer Doudna说，“重要的事情在于我们在细菌进化树的一个主要分支中发现这些CRISPR系统中的一些，从而为研究在实验室中无法培养的全新细菌世界打开大门，因为我们真地不知道它们是什么，它们有什么习性。”
研究人员也在一些世界上最小的微生物---古生菌中纳米大小的成员---中发现首个CRISPR-Cas9系统。
不能培养的细菌的种类仅在近期才被认识到，这部分上归功于Banfield和她的实验室同事们：他们利用宏基因组分析探究包括从废弃矿井中有毒的水池到超级基金污染清理现场和早产儿肠道在内的外部环境中的微生物多样性。地球上绝大多数的细菌生命体基本上是未知的，这是因为它们不能够在实验室盘碟中加以培养，这很可能是因为它们是共生菌，依赖于其他的细菌提供存活所需的营养物。
在这些新的CRISPR蛋白中，一种被称作CasY的蛋白是在一群庞大的最近被认识到的细菌--- Banfield将之称为候选门辐射群（candidate phyla radiation, CPR），可能含有一半的细菌多样性，生活在间歇喷泉和地下几英尺的土壤中---中发现的。另一种新的蛋白被称作CasX，是在来自已知的生活在地下水和沉积物中的细菌门的细菌中发现的。这两类经发现含有CRISPR-Cas9的纳米古生菌（nanoarchaea）是Banfield首次从酸性矿井废水中描述的。
细菌进化树中令人吃惊的多样性
这些新的CRISPR系统是通过扫描Banfield和她的团队在过去15年获得的宏基因组数据库来寻找类似于Cas9蛋白编码序列的基因序列的过程中发现的。这种数据库含有上千种微生物基因组，它们当中绝大多数是不能培养的细菌和古生菌。
鉴于研究人员寻找使用单个效应蛋白的CRISPR系统，它们在尺寸上个将会更小，为此，他们寻找缺乏细菌中的一些CRISPR系统使用的辅助蛋白的微生物基因组。
论文共同第一作者、博士后研究员David Burstein说，“我们利用为所有已知的Cas蛋白构建的敏感性模型鉴定出新的大分子蛋白，这些大分子蛋白靠近于一种CRISPR阵列和通用Cas蛋白，但不是任何已知的CRISPR系统的一部分。我们分析从微生物群落中直接测序的DNA和RNA的事实允许我们不仅检测新的CRISPR系统，而且也鉴定出这些CRISPR系统靶向的病毒，从而给我们提供关于这些CRISPR系统的RNA组分在自然环境中的加工方式的线索。”
CRISPR系统是几十年前在细菌中发现的，而且全世界的很多生物学家在理解它的功能中作出贡献。Banfield是首批意识到它代表一种保护细菌免受病毒感染的原始免疫系统的科学家之一。正如如今所知道的是，在一次病毒感染中存活下来的细菌将病毒DNA的一部分插入到它们自己的基因组中来提醒自己要留意这种病毒以防它再次发起攻击。在一种独特的被称作CRISPR的细菌基因组区域中，很多病毒DNA片段分布在这种基因组中，并且被相同的短DNA片段分隔开。
细菌随后利用这种病毒DNA制备RNA转录本，将它们附着到被称作Cas蛋白的切割酶上，派送它们在细胞内部进行巡逻来寻找病毒的存在。当这种Cas-RNA复合物遭遇到携带与这种RNA转录本互补的DNA的病毒时，这种Cas蛋白结合并切割这种病毒的DNA，将它杀死。
10年前，Banfield首次让Doudna关注CRISPR系统。作为RNA结构和活性方面的一名专家，Doudna与欧洲的Emmanuelle Charpentier合作发现这种Cas-RNA复合物的工作机制。他们取得的关键认识在于这种简单的微生物系统能够经过改造后，不仅切割病毒DNA，而且也切割任何DNA，包括人类和其他真核生物的DNA。他们的经过改造的系统变成一种准确的DNA剪刀，已引发基础生物学研究变革，允许科学家们敲除和经常替换单个基因，并且有望让利用基因疗法治愈遗传病变成现实。
大约40%的可培养的细菌和大多数的古生菌被认为使用CRISPR获得的免疫力，但是大多数CRISPR-Cas系统利用一系列复杂的Cas蛋白来切割病毒DNA。让Doudna和Charpentier的系统工作如此良好的是从酿脓链球菌（Streptococcus pyogenes）中分离出的Cas9，相对比较简单，而且这两个团队对这种系统加以改造使得它变得更加简单。去年，另一种紧凑的CRISPR-Cpf1系统是在一种不同的致病性细菌土拉热弗朗西丝菌（Francisella novicida）中发现的。
迄今为止，仅有三种紧凑性的Cas蛋白---被称作II型系统---经实验证实切割DNA：Cas9、Cpf1和C2c1。第四种Cas蛋白，C2c2，切割RNA，而一种候选的系统，C2c3，可能切割DNA。
Banfield说，“人们已在细菌中发现几十种CRISPR-Cas系统，但都不是II型系统。这是这项研究的一个关键部分。这些简单的系统就像母鸡的牙齿那样罕见。我们搜寻了大量的包括1.55亿种蛋白的数据，仅发现两种：CasX和CasY。”
Banfield注意到随着不能培养的微生物基因组数据库继续扩大，她期待不仅发现CRISPR-Cas系统的其他变体，而且还发现具有不同寻常功能的可能经证实在实验室或诊所中有用的其他蛋白。论文共同作者Brian Thomas补充道，这些蛋白和系统也会应用于新兴的生物技术中。
Banfield说，“去年，我们已报道这种难以想象的有机体多样性，我们一无所知，而且似乎充满着具有未知功能的蛋白。我猜测存在难以想象的其他蛋白和系统的无主宝藏，它们仍然等待着在这些有机体中去发现。”
Doudna实验室的研究人员随后在大肠杆菌中重建CasX和CasY系统，并且发现这些系统让这种细菌---正常情形下不含有一种有活性的CRISPR系统---阻止外源DNA转化。Doudna和她的同事们正在研究这两种系统在生化上如何工作，以便希望构建出一种可作为CRISPR-Cas9补充的基因编辑工具。
参考文献：
David Burstein,Lucas B. Harrington,,Jennifer A. Doudna& Jillian F. Banfield.New CRISPR–Cas systems from uncultivated microbes.Nature (2016) doi:10.1038/nature21059
本文来源于：生物谷
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