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新CRISPR系統(tǒng)的“寶藏”為基因組編輯帶來(lái)了希望

    CRISPR-Cas9最著名的功能是作為編輯DNA的實(shí)驗(yàn)室工具,但它的自然功能是作為免疫系統(tǒng)的一部分,幫助某些微生物對(duì)抗病毒。

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    CRISPR-Cas9系統(tǒng)(如圖)用于發(fā)現(xiàn)和切割特定的DNA序列。圖片來(lái)源:CarlosClarivan/SciencePhotoLibrary

    麻省理工學(xué)院生物化學(xué)家張鋒團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心研究人員開(kāi)發(fā)出一種名為FLSHclust的新算法,在數(shù)十億個(gè)蛋白質(zhì)序列中發(fā)現(xiàn)了188個(gè)罕見(jiàn)且以前未知的CRISPR連接基因模塊。新發(fā)現(xiàn)為利用CRISPR系統(tǒng)和了解微生物蛋白質(zhì)的功能多樣性提供了新機(jī)會(huì)。

    “我們對(duì)CRISPR系統(tǒng)的多樣性感到驚訝。”麻省理工學(xué)院生物化學(xué)家張鋒,“做這種分析可以讓我們一石二鳥(niǎo):既研究生物學(xué),也可能找到有用的東西。”

    單細(xì)胞細(xì)菌和古細(xì)菌使用CRISPR系統(tǒng)來(lái)保護(hù)自己免受噬菌體的侵害。CRISPR系統(tǒng)通常由兩部分組成:識(shí)別并結(jié)合噬菌體DNA或RNA的“引導(dǎo)RNA”分子,以及在引導(dǎo)RNA指示的位點(diǎn)切割或干擾遺傳物質(zhì)的酶。

    到目前為止,研究人員已經(jīng)確定了六種CRISPR系統(tǒng),分別從I命名到VI。它們有不同的特性,包括使用酶的類(lèi)型,以及它們?nèi)绾巫R(shí)別、結(jié)合和切割RNA或DNA。用于基因工程的CRISPR-cas9系統(tǒng)被歸類(lèi)為II型,其他類(lèi)型的CRISPR特征可能對(duì)其他方面有用。

    為了在自然界中找到不同的CRISPR系統(tǒng),張鋒團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為FLSHclust的算法,可分析公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的基因序列。這些數(shù)據(jù)庫(kù)包含來(lái)自細(xì)菌和古細(xì)菌的數(shù)十萬(wàn)個(gè)基因組,數(shù)億個(gè)未與特定物種相關(guān)聯(lián)的序列,以及數(shù)十億個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因。FLSHclust通過(guò)尋找基因序列之間的相似性,并將它們分組成大約5億個(gè)簇,發(fā)現(xiàn)了CRISPR相關(guān)基因。

    通過(guò)觀察這些簇的預(yù)測(cè)功能,研究人員發(fā)現(xiàn)了大約13萬(wàn)個(gè)基因以某種方式與CRISPR相關(guān),其中188個(gè)是以前從未見(jiàn)過(guò)的,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室測(cè)試了幾個(gè)基因以了解它們的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了CRISPR系統(tǒng)用來(lái)攻擊噬菌體的各種策略,包括解開(kāi)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu),以及以允許基因插入或刪除的方式切割DNA。他們還發(fā)現(xiàn)了“抗CRISPR”的DNA片段,這可能有助于噬菌體逃避細(xì)菌的防御。

    在這些新基因中,有一種完全未知的靶向RNA的CRISPR系統(tǒng)的代碼,該團(tuán)隊(duì)將其命名為VII型。研究通訊作者之一、美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心生物學(xué)家EugeneKoonin表示,找到新的CRISPR系統(tǒng)越來(lái)越難了,VII型和任何其他尚未被識(shí)別的CRISPR類(lèi)型在自然界中一定是極其罕見(jiàn)的,這可能需要付出巨大的努力才能找到下一種類(lèi)型。

    巴黎薩克雷大學(xué)微生物學(xué)家ChristinePourcel說(shuō),很難知道某些類(lèi)型的CRISPR系統(tǒng)是罕見(jiàn)的,因?yàn)樗鼈儗?duì)微生物通常沒(méi)有用處,還是專(zhuān)門(mén)適應(yīng)于生活在特定環(huán)境中的生物體。她補(bǔ)充說(shuō),由于研究中使用的基因數(shù)據(jù)庫(kù)包括與特定生物體沒(méi)有聯(lián)系的基因組片段,因此很難研究一些新系統(tǒng)的作用。

    新西蘭達(dá)尼丁奧塔哥大學(xué)生物化學(xué)家ChrisBrown表示,該算法本身就是一項(xiàng)重大進(jìn)步,因?yàn)樗鼘⑹寡芯咳藛T能夠在不同物種之間尋找其他類(lèi)型的蛋白質(zhì)。

    “這是生物化學(xué)家的寶庫(kù)。”德國(guó)馬爾堡大學(xué)微生物學(xué)家LennartRandau對(duì)此表示贊同。他說(shuō),下一步將是找出酶和系統(tǒng)工作的機(jī)制,以及如何將它們用于生物工程。“一些CRISPR蛋白會(huì)隨機(jī)切割DNA,對(duì)工程毫無(wú)用處。但它們?cè)跈z測(cè)DNA或RNA序列方面非常精確,可能會(huì)成為很好的診斷或研究工具。”

    研究人員認(rèn)為,現(xiàn)在說(shuō)VII型CRISPR系統(tǒng)或FLSHclust鑒定的任何其他基因是否對(duì)基因工程有幫助還為時(shí)過(guò)早,但它們有一些可能有用的特性。例如,VII型病毒只涉及很少的基因,這些基因可以很容易地裝入病毒載體并傳遞到細(xì)胞中。相比之下,該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的其他一些系統(tǒng)包含非常長(zhǎng)的引導(dǎo)RNA,這可能使它們能夠以前所未有的準(zhǔn)確性靶向特定的基因序列。


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