Nature：競爭太激烈了！「女神」發現2個CRISPR新系統

生物探索

編者按

CRISPR先驅Jennifer Doudna每年都會在CNS等頂級期刊上發表多項成果。2016年，研究小組已經在Cell、Nature、Science等雜誌上發表了二十幾篇論文。本周最新發表在Nature上的一項研究中，研究小組發現了兩個新型的CRISPR系統：CRISPR-CasX 和CRISPR-CasY。值得注意的是，這一成果從投稿到在線發表不到兩個月的時間，且Nature標明是「Accelerated Article Preview」。

12月22日，在線發表於Nature雜誌上的一項研究中，科學家們又為CRISPR家族找到了新的成員：CRISPR-CasX 和CRISPR-CasY。加州大學伯克利分校的Jillian F. Banfield教授和CRISPR先驅Jennifer A. Doudna 教授是這一研究的共同通訊作者。

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CasX僅由980個氨基酸組成

據悉，CasX僅由980個氨基酸組成，遠小於其它Cas蛋白。最常使用的Cas9共包含1368個氨基酸。而CasY由約1200個氨基酸組成。Banfield說：「這兩種新型的Cas蛋白真的非常小，尤其是CasX。這意味著，它可能更加有用。」以色列魏茨曼科學研究所的Rotem Sorek表示，這是非常重要的發現。從基因編輯的角度，遞送小基因到細胞內要比遞送大基因容易得多。

通過與Jennifer Doudna合作，Banfield的研究小組證明了CasX 和 CasY的功能性。研究人員在大腸桿菌中重建了CasX 和CasY系統，發現它們能夠對細菌起到保護作用，阻止外源DNA轉化。Doudna的研究小組正在調查這兩個系統是如何工作的，希望它們能夠成為基因編輯的補充工具。

Banfield gathering data at the Rifle site in Colorado, where she collected bacteria that were found to contain a new CRISPR-CasX system never before seen. (Roy Kaltschmidt photo, 2014)

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發現過程

微生物利用多種CRISPR-Cas系統組成了它們的免疫力，其中，II類CRISPR系統（特別是基於核酸酶Cas9的系統）已成為最熱門的基因編輯工具。值得注意的是，過去，科學家主要是基於在實驗室中可培養的細菌開發CRISPR系統。而此次，CRISPR-CasX 和 CRISPR-CasY是在不可培養（uncultivated）的微生物中發現的。這類群體有望成為新型基因編輯系統的潛在來源。

An uncultivable bacteria, probably symbiotic and living off other microbes in groundwater, has small hair-like pili covering its outer surface. It is about 250 nanometers in diameter, among the smallest known microbes. (Banfield lab image)

在過去的十年中，Banfield和同事從多個地方收集微生物，提取它們的DNA，重建它們的基因組。研究小組希望能夠找到新的CRISPR系統。通過分析宏基因組資料庫（包含成千上萬的微生物基因組，大多數為不能培養的細菌和古生菌），尋找與編碼Cas9蛋白序列相似的基因序列，研究小組最終發現了CRISPR-CasX 和 CRISPR-CasY。Banfield說：「我們搜索了包括1.55億個蛋白的數據，只找到了CasX 和 CasY。」

此外，他們還在古生菌基因組中找到了Cas9的序列。值得注意的是，科學家先前只發現古生菌使用I類CRISPR系統，而II類CRISPR系統僅在細菌中被發現。

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強大的基因編輯家族

近幾年，基因編輯工具家族可謂是越來越壯大。目前II類系統中已經實驗證明能夠切割DNA的酶包括Cas9、Cpf1 和 C2c1；此外，C2c2被證明能夠切割RNA；另一個假定的系統CRISPR- C2c3可能能用於切割DNA。

CRISPR-Cpf1

CRISPR-Cpf1系統最早由張鋒等人在去年的一篇Cell文章中提出。本月發表在Nature Biotechnology上的最新成果（論文：Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array）證實，CRISPR-Cpf1系統能夠克服Cas9靶向多個基因位點的限制。使用單個定製的CRISPR陣列，研究人員實現了在哺乳動物細胞中同時編輯多達4個基因，在小鼠大腦中同時編輯3個基因。【詳細】

CRISPR-C2c1

本月，Cell雜誌發表了一篇關於CRISPR-C2c1系統的新成果（論文：PAM-Dependent Target DNA Recognition and Cleavage by C2c1 CRISPR-Cas Endonuclease）。中國科學院生物物理研究所高璞課題組與美國Sloan研究所 Dinshaw J. Patel課題組合作，揭示了CRISPR-C2c1響應外源DNA的作用機制。

具體來說，研究中，科學家們首先解析了C2c1-sgRNA二元複合物及C2c1-sgRNA-DNA多種三元複合物結構。通過結構分析，揭示了C2c1不同於Cas9和Cpf1的獨特target DNA識別和切割方式。研究首次明確了C2c1對雙鏈DNA的切割會產生7nt的粘性末端。這是目前所有用於基因組編輯的CRISPR-Cas系統所能產生的最長粘性末端，將有希望提高切割後的連接效率。

CRISPR-C2c2

今年6月，發表在Science上的一項研究中（論文：C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector），張鋒等人描述了一種具有靶向和降解RNA能力的RNA導向酶（RNA-guided enzyme）C2c2，並描述了該酶的功能特徵。研究表明，僅靶向RNA的CRISPR/C2c2系統能夠幫助細菌對抗病毒感染。【詳細】

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小編說

這兩年，Jennifer Doudna與張鋒在CRISPR領域的競爭極為激烈。除了仍未有結論的專利之爭，兩個人在科研領域和商業領域都在你追我敢。此次，新系統發現後，加州大學抓緊申請了專利，已向美國專利與商標局提交了臨時專利申請（ Provisional Patent ）。

最後，回到技術本身，小編想引用Jennifer A. Doudna在接受Cell採訪時說過的話：CRISPR技術讓科學家們以前所未有的輕鬆度、準確度以及效率，真正實現了編輯任何有機體的遺傳信息，包括人類細胞。CRISPR的多功能性為能夠改善人類生活的生物學和醫學研究帶來了新的、更廣泛的可能。

參考資料：

The-scientist：New CRISPR-Cas Enzymes Discovered

Berkeley News：Compact CRISPR systems found in some of world』s smallest microbes

高璞課題組與美國Sloan研究所合作揭示細菌對外源DNA的適應性免疫響應機制