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诺奖得主Doudna团队研究发现大量病毒中存在CRISPR系统以及更小更高效的Cas酶

2022-12-01 07:16

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

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本文为转化医学网原创，转载请注明出处

作者：Jevin

导读：2012年6月28日，Jennifer Doudna教授等人在《Science》发表了一篇具有划时代意义的论文。研究揭示了CRISPR-Cas系统的详细作用机制，并指出了其作为基因组编辑工具的潜力。2020年10月7日，诺贝尔委员会官方网站公布，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因“开发基因组编辑方法”而获得2020年诺贝尔化学奖。

2022年11月23日，由Jennifer Doudna教授领衔的一项重磅研究发表于《Cell》。这项新研究在数千种病毒中发现了大量基于CRISPR的潜在基因编辑工具。

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01366-6?_returnURL

研究背景

CRISPR-Cas 系统最为人所知的是它作为基因组编辑工具，但它实际上是在自然界中广泛存在的一类免疫系统。40%的细菌和85%的古菌具有 CRISPR-Cas 系统，这些原核生物可以捕获入侵病毒或质粒的基因组片段，并将其存储到自己基因组中的CRISPR阵列中。当这些病毒再次入侵时，CRISPR阵列作为模板转录RNA，引导Cas酶切割入侵病毒的相应DNA，从而抵御入侵病毒。

然而，有多少噬菌体进化出了自己的 CRISPR-Cas 系统，目前还尚不清楚。如今，科学家发现，基于CRISPR的基因组编辑工具还有新的来源，并有望激发新的生物技术。

研究过程

Jennifer Doudna教授团队使用从土壤，水生，人类和动物微生物组中分离的微生物样品的宏基因组分析，报告了在噬菌体基因组中编码的多样化，他们发现了大约6000种具有 CRISPR-Cas 系统的噬菌体（占已知噬菌体的0.4%），涵盖了所有已知的六种 CRSIPR-Cas 系统类型（Ⅰ-Ⅵ型，例如Cas9属于Ⅱ型，Cas12属于Ⅴ型，Cas13属于Ⅵ型）。

噬菌体和噬菌体样序列导致属于II型和V型家族的CRISPR-Cas9和-Cas12酶扩增数倍，这些酶广泛用于基因组编辑应用。Casλ是研究中鉴定的噬菌体编码V型酶序列中最不同的一种，被发现作为RNA引导的双链DNA切割器具有强大的生化活性。其冷冻电子显微镜确定的分子结构解释了其使用天然单向导RNA进行DNA结合，并且基于细胞的实验证明了植物和人类细胞中强大的内源性基因组编辑活性。

Casλ和其他噬菌体编码的CRISPR-Cas蛋白的紧凑结构为基于载体和直接递送到细胞中具有重要的前景，可用于广泛的生物技术应用。也就是说，来自噬菌体的 Casλ 酶（属于Ⅴ型，仅700多个氨基酸大小）能够编辑植物（拟南芥、小麦）和人类细胞基因组，并且兼顾了小型化和高编辑效率的优点。这些发现表明了病毒（噬菌体）是发现新型基因编辑工具的重要来源。

研究意义

研究揭示了在不同噬菌体中编码的CRISPR途径是超紧凑的抗病毒系统，噬菌体编码的CRISPR系统涵盖所有已知的CRISPR-Cas类型。Casλ使用独特结构的CRISPR RNA（crRNA）识别双链DNA。通过冷冻电子显微镜测定的Casλ-RNA-DNA结构揭示了一种紧凑的双叶结构，能够在哺乳动物，拟南芥和六倍体小麦细胞中诱导基因组编辑。