揭示CRISPR分子剪刀的起源，轉(zhuǎn)座子編碼的核酸酶利用向?qū)NA促進(jìn)轉(zhuǎn)座子自身的傳播

基因組工程可能是醫(yī)學(xué)的未來(lái)，但它依賴于數(shù)十億年前在原始細(xì)菌中取得的進(jìn)化進(jìn)步，而原始細(xì)菌是最初的基因編輯大師。科學(xué)家們對(duì)這些古老的基因編輯系統(tǒng)進(jìn)行改造，推動(dòng)它們完成更加復(fù)雜的基因編輯任務(wù)。然而，要發(fā)現(xiàn)新工具，有時(shí)需要回顧過(guò)去，了解細(xì)菌最初如何創(chuàng)建原始的基因編輯系統(tǒng)，以及構(gòu)建的原因。

在一項(xiàng)新的研究中，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的Sam Sternberg和他的博士后Chance Meers博士回顧了CRISPR-Cas9的前身---它們潛伏在所謂的“跳躍基因（jumping gene）”中---以揭示CRISPR的DNA剪刀是如何進(jìn)化的。他們的發(fā)現(xiàn)揭示了數(shù)千種新發(fā)現(xiàn)的DNA剪刀是如何工作的，以及如何將它們?cè)O(shè)計(jì)成新的基因組工程技術(shù)。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Transposon-encoded nucleases use guide RNAs to promote their selfish spread”。

CRISPR-Cas9 來(lái)自跳躍基因

在細(xì)菌體內(nèi)，CRISPR-Cas9 在保護(hù)細(xì)胞免受病毒感染方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在向?qū)NA（gRNA）的幫助下，這些分子剪刀首先識(shí)別入侵病毒的 DNA，然后切割病毒基因組。

幾年前，科學(xué)家們將CRISPR-Cas9的起源追溯到轉(zhuǎn)座子（transposon）。轉(zhuǎn)座子是一種可移動(dòng)的遺傳因子，也被稱為跳躍基因，通過(guò)一種稱為轉(zhuǎn)座的神秘過(guò)程，從基因組中的一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置。

Sternberg說(shuō)，“我們實(shí)驗(yàn)室研究的許多生物課題都是在一種生命形式從另一種生命形式中竊取基因時(shí)產(chǎn)生的---例如，細(xì)菌從病毒、質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子等可移動(dòng)的遺傳因子中竊取基因，然后這些基因被重新利用來(lái)執(zhí)行類似的生化反應(yīng)，但功能完全不同。”

這種轉(zhuǎn)座子關(guān)聯(lián)性很快讓人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在的新編輯工具寶庫(kù)：成千上萬(wàn)個(gè)古老的轉(zhuǎn)座子仍然活躍在細(xì)菌基因組中，每個(gè)轉(zhuǎn)座子都攜帶一種RNA引導(dǎo)的DNA核酸酶，基因組工程師（人類）可能對(duì)這些DNA核酸酶進(jìn)行編程以便切割DNA。

基因組工程師們現(xiàn)在正致力于利用這些系統(tǒng)，但對(duì)Sternberg和Meers來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的問(wèn)題仍未得到解答。

Meers說(shuō)，“這些轉(zhuǎn)座子在它們自己的酶---稱為轉(zhuǎn)座酶---的幫助下跳進(jìn)跳出基因組。它們不需要 DNA 剪刀，也不需要g RNA。那么，它們?yōu)槭裁磾y帶 RNA 引導(dǎo)的 DNA 剪刀的基因呢？”

沒(méi)有DNA剪刀，轉(zhuǎn)座子就會(huì)滅絕

這是一個(gè)難以破解的難題。Meers解決的**個(gè)難題是找到合適的具有許多活性轉(zhuǎn)座子拷貝的細(xì)菌，并將其作為模型系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的大腸桿菌并不是**的起點(diǎn)，因此Meers選擇了嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophilus），這是一種嗜熱細(xì)菌，擁有數(shù)十個(gè)活躍的跳躍基因。

Meers還從轉(zhuǎn)座子的角度研究了這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了功能強(qiáng)大的檢測(cè)方法，可以捕捉到在細(xì)菌基因組中移動(dòng)、在質(zhì)粒中跳進(jìn)跳出以及從一種細(xì)菌菌株跳到另一種細(xì)菌菌株的過(guò)程中的跳躍基因。Sternberg說(shuō)，“如果沒(méi)有這種方法，你最終只能孤立地研究這些DNA剪刀，而無(wú)法從整體上了解整個(gè)故事。”

有了這些檢測(cè)方法，Meers 和 Sternberg 在實(shí)驗(yàn)室同事們的幫助下，深入研究了轉(zhuǎn)座子的移動(dòng)方式，結(jié)果表明，如果沒(méi)有這些DNA 剪刀，跳躍基因可以跳到新的位置，但很容易迅速滅絕。（細(xì)菌不斷試圖使包括轉(zhuǎn)座子在內(nèi)的可移動(dòng)遺傳因子失活。）

這些類似于CRISPR的分子剪刀在切割DNA后，引導(dǎo)轉(zhuǎn)座子的拷貝回到它跳躍的位置，從而防止了基因滅絕。

Meers說(shuō)，“通過(guò)這種‘剪切和復(fù)制’策略，轉(zhuǎn)座子的增殖速度可以超過(guò)它的**消失的速度。實(shí)際上，自然界最強(qiáng)大的基因組編輯器最初是為了將自己編輯到基因組中，自私地促進(jìn)它們自己的傳播。”

還能找到更多版本的CRISPR嗎？

由于CRISPR-Cas是由細(xì)菌王國(guó)中成千上萬(wàn)個(gè)拷貝的轉(zhuǎn)座子進(jìn)化而來(lái)的，因此大自然很可能已經(jīng)從這些強(qiáng)大的轉(zhuǎn)座子基因中創(chuàng)造出了其他的等待著人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)。

Sternberg說(shuō)，“很難相信，進(jìn)化到CRISPR-Cas基因后，就不再發(fā)明分子剪刀了。肯定還有其他系統(tǒng)在起作用，如果我們找到了它們，或許也能借用這些基因，并將它們用于另一個(gè)目的：對(duì)人類細(xì)胞基因組進(jìn)行改造。”

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