CRISPR分子剪刀的起源

基因组工程可能是医学的未来，但它依赖于数十亿年前原始细菌的进化进步，原始细菌是基因编辑的原始大师。

像哥伦比亚大学的Sam Sternberg这样的现代基因组工程师总是向前看，修改这些古老的系统，并推动它们执行更复杂的基因编辑壮举。

但是，要发现新的工具，有时回顾过去以了解细菌最初是如何创造原始系统的，以及为什么。

在9月27日发表在《自然》杂志上的一项新研究中，Sternberg和他的博士后Chance Meers博士回到过去，研究了潜伏在所谓的“跳跃基因”中的CRISPR-Cas9的前体，以揭示CRISPR的DNA剪刀是如何进化的。

他们的发现揭示了数千种新发现的DNA剪刀是如何工作的，以及它们如何被设计成新的基因组工程技术。

CRISPR-Cas9来自跳跃基因

在细菌中，CRISPR-Cas9在保护细胞免受病毒感染方面起着至关重要的作用。在向导RNA的帮助下，这些分子剪刀首先识别入侵病毒的DNA，然后切开病毒基因组。

几年前，科学家们将CRISPR-Cas9的起源追溯到转座子，即移动遗传元件，也称为“跳跃基因”，它们通过称为转位的神秘过程从基因组中的一个位置跳到另一个位置。

“我们在实验室研究的许多生物学主题都是当一种生命形式从另一种生命形式窃取基因时出现的 – 例如，细菌从移动遗传元件中窃取基因，如病毒，质粒或转座子 – 然后这些基因被重新用于执行类似的生化反应，但功能完全不同，”Sternberg说。

转座子链接很快将研究人员引向了一个潜在的新编辑工具宝库：数千个古老的转座子仍然活跃在细菌基因组中，每个转座子都携带RNA引导的DNA核酸酶，基因组工程师（人类）可能会对其进行编程以切割DNA。

基因组工程师现在正在努力利用这些系统，但对Sternberg和Meers来说，一个重要的问题仍未得到解答。

“这些转座子在它们自己的enyzmes的帮助下跳入和跳出基因组，称为转座酶，”Meers说。“他们不需要DNA剪刀，也不需要引导RNA。

“那么为什么它们携带RNA引导的DNA剪刀的基因呢？”

没有DNA剪刀，转座子就会灭绝

这是一个很难破解的问题。

Meers解决的第一个障碍是找到具有许多活性转座子拷贝的合适细菌，作为模型系统。常见的实验室细菌大肠杆菌并不是最好的起点，因此Meers选择了嗜热硬脂芽孢杆菌，这是一种具有数十个活跃跳跃基因的喜热细菌。

Meers还从转座子的角度研究了这个问题，开发了强大的分析方法，在细菌基因组周围移动，跳入和跳出质粒以及从一种细菌菌株到另一种细菌菌株的过程中捕获跳跃基因。“如果没有这种方法，你最终只会孤立地研究DNA剪刀，从而阻止将整个故事拼凑在一起的整体观点，”Sternberg说。

有了这些分析，Meers和Sternberg在实验室内一组同事的帮助下，深入研究了转座子的移动方式，并表明如果没有DNA切割剪刀，跳跃的基因可以跳到新的位置，但容易非常迅速地灭绝。（细菌不断试图灭活移动遗传元件，包括转座子。

类似CRISPR的分子剪刀通过在切割DNA将拷贝滑入到位后，引导转座子的副本回到它跳跃的位置来防止灭绝。

“通过这种’剪切和复制’策略，转座子的增殖速度可以快于其永久性损失的速度，”Meers说。实际上，自然界最强大的基因组编辑者最初进化为将自己编辑成基因组，自私地促进自己的传播。

寻找更多版本的CRISPR？

由于CRISPR-Cas是从细菌王国中数十万个拷贝中发现的转座子进化而来的，因此大自然很可能已经从这些等待被发现的强大转座子基因中创造了其他系统。

“很难相信进化随着CRISPR-Cas的起源而停止发明分子剪刀，”Sternberg说。“一定有其他系统在工作，如果我们找到它们，我们也许也可以借用这些基因，并将它们用于另一个目的：工程人类细胞的基因组。