對病毒基因組的系統(tǒng)性掃描揭示了大量潛在的基于CRISPR的基因組編輯工具。CRISPR-Cas系統(tǒng)在細菌和古生菌的微生物世界中很常見，它們經(jīng)常幫助它們的宿主細胞抵御病毒。但是，在一項新的研究中，來自美國加州大學洛杉磯分校的研究人員發(fā)現(xiàn)在公開的可感染這些微生物的病毒（稱為噬菌體）的基因組序列中，CRISPR-Cas系統(tǒng)占0.4%。他們認為，這些病毒利用CRISPR-Cas彼此競爭---而且有可能也是為了操縱宿主的基因活性，使之對自己有利。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年11月23日的Cell期刊上，論文標題為“Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors”。

其中的一些病毒CRISPR-Cas系統(tǒng)能夠編輯植物和哺乳動物的基因組，并且擁有一些特征---比如緊湊的結(jié)構(gòu)和高效的編輯---這可能使它們在實驗室中發(fā)揮作用。

美國國家生物技術(shù)信息中心計算生物學家Kira Makarova說，“這是在發(fā)現(xiàn)CRISPR-Cas系統(tǒng)的巨大多樣性方面邁出的重要一步。這里發(fā)現(xiàn)了很多新奇的東西?！?/p>

切割DNA的防御措施

盡管CRISPR-Cas最為人所知的是在實驗室中用作一種改變基因組的工具，但是它在自然界中可以作為一種初級的免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用。大約40%抽樣的細菌和85%抽樣的古生菌都有CRISPR-Cas系統(tǒng)。通常，這些微生物可以捕獲入侵病毒的基因組片段，并將這些片段儲存在它們自己基因組的一個稱為稱為CRISPR陣列（CRISPR array）的區(qū)域。CRISPR陣列隨后作為模板生成向?qū)NA（gRNA）用于指導CRISPR相關(guān)（CRISPR-associated, Cas）酶切割相應(yīng)的DNA。這可以讓攜帶CRISPR陣列的微生物切割病毒基因組，并有可能阻止病毒感染。

微生物中發(fā)現(xiàn)大量類似CRISPR的基因切割酶

病毒有時會獲取其宿主的基因組片段，而且科學家們以前已在病毒基因組中發(fā)現(xiàn)過CRISPR-Cas。如果這些偷來的DNA片段給病毒帶來了競爭優(yōu)勢，那么它們可以被保留下來并逐漸地經(jīng)歷修改，以便更好地為病毒的生活方式服務(wù)。比如，一種感染霍亂弧菌的病毒利用CRISPR-Cas切割細菌DNA中編碼細菌中編碼抗病毒防御的DNA并使之失活（Nature, 2013, doi:10.1038/ nature11927）。

在這項新的研究中，加州大學伯克利分校的分子生物學家Jennifer Doudna和微生物學家Jillian Banfield及其同事們決定在感染細菌和古生菌的病毒（即噬菌體）中更全面地尋找CRISPR-Cas系統(tǒng)。令他們吃驚的是，他們發(fā)現(xiàn)了大約6000種編碼CRISPR-Cas系統(tǒng)的噬菌體，包括每一種已知類型的CRISPR-Cas系統(tǒng)的代表。Doudna說，“有證據(jù)表明，這些CRISPR-Cas系統(tǒng)是對噬菌體有用的系統(tǒng)?！?/p>

圖片來自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.10.020。

這些作者發(fā)現(xiàn)了在通常的CRISPR-Cas結(jié)構(gòu)上存在著廣泛的變異，一些CRISPR-Cas系統(tǒng)缺少組分，另一些CRISPR-Cas則異常緊湊。在法國國家科學研究中心研究噬菌體生態(tài)學和進化的Anne Chevallereau說，“即使噬菌體編碼的CRISPR-Cas系統(tǒng)是罕見的，它們也是高度多樣化和廣泛分布的。大自然充滿了驚喜?！?/p>

小而高效

病毒基因組往往是緊湊的，而且一些病毒的Cas酶非常小。這可以為基因組編輯應(yīng)用提供一個特別的優(yōu)勢，因為較小的酶更容易穿梭于細胞中。Doudna和她的同事們專注于一類特定的稱為Casλ的小型Cas酶，并發(fā)現(xiàn)其中的Casλ可被用于編輯實驗室培養(yǎng)的來自擬南芥和小麥的細胞以及人類腎臟細胞的基因組。

這些結(jié)果表明病毒Cas酶有潛力加入在微生物中發(fā)現(xiàn)的越來越多的基因編輯工具的行列。Doudna說，盡管科學家們已在自然界中發(fā)現(xiàn)了其他小型Cas酶，但迄今為止，其中的許多小型Cas酶在基因組編輯應(yīng)用中的效率相對較低。相比之下，一些病毒Casλ酶兼具小尺寸和高效率。

與此同時，科學家們將繼續(xù)搜索微生物，以尋找對已知CRISPR-Cas系統(tǒng)的潛在改進。Makarova預計科學家們還將尋找被質(zhì)粒---可以從微生物之間轉(zhuǎn)移的DNA分子 ---拾取的CRISPR-Cas系統(tǒng)。

她說，“每年我們都有數(shù)以千計的新基因組出現(xiàn)，而其中的一些基因組來自非常不同的環(huán)境。因此，這真地會很有趣?！保?a >生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Basem Al-Shayeb et al. Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors, Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.10.020.

2. CRISPR tools found in thousands of viruses could boost gene editing
https://www./articles/d41586-022-03837-8