细胞:在数千种病毒中发现CRISPR

来源：100医疗网原创2022-11-28 11336034

在一项新的研究中，研究人员发现，CRISPR-Cas系统占已公布的可感染这些微生物的病毒(称为噬菌体)基因组序列的0.4%。相关研究成果发表在2022年11月23日的《细胞杂志》上。

对病毒基因组的系统扫描揭示了大量潜在的基于CRISPR的基因组编辑工具。CRISPR-Cas系统普遍存在于细菌和古细菌的微生物世界中，它们经常帮助其宿主细胞抵抗病毒。然而，在一项新的研究中，来自加州大学洛杉矶分校的研究人员发现，CRISPR-Cas系统占了可感染这些微生物的病毒(称为噬菌体)已公布基因组序列的0.4%。他们认为，这些病毒利用CRISPR-Cas相互竞争，并可能操纵宿主的基因活动以对自己有利。相关研究成果发表在2022年11月23日的《细胞杂志》(Cell Journal)上，题目是包括流线型基因组编辑器在内的多样化病毒编码Crispr-CAS系统。

这些病毒中的一些CRISPR-Cas系统可以编辑植物和哺乳动物的基因组，并且具有一些特征——如结构紧凑和高效编辑——这可能使它们在实验室中工作。

美国国家生物技术信息中心的计算生物学家Kira Makarova表示，这是发现CRISPR-Cas系统巨大多样性的重要一步。这里发现了许多新奇的东西。

切割DNA的防御措施

虽然CRISPR-Cas最出名的是作为实验室中的基因组修饰工具，但它也可以作为自然界中的初级系统。约40%的取样细菌和85%的取样古菌具有CRISPR-Cas系统。通常，这些微生物可以捕获入侵病毒的基因组片段，并将这些片段存储在自己基因组的一个区域中，称为CRISPR array。然后以CRISPR阵列为模板，生成指导RNA(gRNA)，指导CRISPR相关的Cas)酶切割相应的DNA。这使得携带CRISPR阵列的微生物可以切割病毒基因组，并可能防止病毒感染。

在微生物中发现了大量的CRISPR样基因切割酶。

有时病毒会获得宿主的基因组片段，科学家以前在病毒基因组中发现过CRISPR-Cas。如果这些被窃取的DNA片段给了病毒竞争优势，它们可以被保留下来，并逐渐被修改，以更好地服务于病毒的生活方式。例如，霍乱弧菌感染的病毒使用CRISPR-Cas切割并灭活细菌DNA中编码抗病毒防御的DNA (Nature，2013，doi:10.1038/Nature 11927)。

在这项新研究中，加州大学伯克利分校的分子生物学家Jennifer Doudna和微生物学家Jillian Banfield及其同事决定在感染细菌和古细菌的病毒(即噬菌体)中更全面地寻找CRISPR-Cas系统。令他们惊讶的是，他们发现了大约6000种编码CRISPR-Cas系统的噬菌体，包括每种已知类型的CRISPR-Cas系统的代表。Doudna说，有证据表明，这些CRISPR-Cas系统是噬菌体的有用系统。

图片来自cell，2022，doi :10.1016/j . cell . 2022 . 10 . 020

这些作者发现，通常的CRISPR-Cas的结构存在很大的差异，一些CRISPR-Cas系统缺少组件，而另一些则非常紧凑。法国国家科学研究中心研究噬菌体生态和进化的Anne Chevallereau表示，即使噬菌体编码的CRISPR-Cas系统很罕见，但它们高度多样化，分布广泛。大自然充满了惊喜。

小而高效

病毒倾向于具有紧凑的基因组，并且一些病毒具有非常小的Cas酶。这可以为基因组编辑应用提供一个特殊的优势，因为较小的酶更容易在细胞中穿梭。Doudna和她的同事们专注于一种称为Cas的特殊小Cas酶，并发现Cas可用于编辑拟南芥和小麦细胞以及实验室培养的人类肾脏细胞的基因组。

这些结果表明，病毒Cas酶具有加入在微生物中发现的越来越多的基因编辑工具的潜力。Doudna表示，尽管科学家在自然界中发现了其他小型Cas酶，但到目前为止，其中许多酶在基因组编辑应用中的效率相对较低。相比之下，一些病毒Cas酶既小又高效。

与此同时，科学家将继续寻找微生物，以找到已知CRISPR-Cas系统的潜在改进。马卡罗娃预计，科学家还将寻找由质粒拾取的CRISPR-Cas系统，质粒是可以在微生物之间转移的DNA分子。

她说，每年我们都会数一数。

以千计的新基因组出现，而其中的一些基因组来自非常不同的环境。因此，这真地会很有趣。 （ 100yiyao.com）

参考资料：

1. Basem Al-Shayeb et al. , Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.10.020.

2. CRISPR tools found in thousands of viruses could boost gene editing

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03837-8

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