原核生物利用CRISPR-Cas抵抗在細(xì)胞上形成圖中結(jié)構(gòu)的病毒,。 圖片來源：Tessa

它是個(gè)非常了不起的工具,。我想知道這個(gè)系統(tǒng)從頭到尾如何工作。

Francisco Mojica并非第一個(gè)看見CRISPR的人,，但他可能是第一個(gè)為它著迷的人,。他還記得1992年當(dāng)他首次瞥見可能引發(fā)一場(chǎng)生物技術(shù)革命的這個(gè)微生物免疫系統(tǒng)的那一天。他在評(píng)估地中海嗜鹽菌的基因測(cè)序數(shù)據(jù),，注意到14個(gè)不尋常的DNA序列,，每個(gè)有30個(gè)堿基。它們的前后讀數(shù)大致相同,，每次重復(fù)35個(gè)堿基左右,。很快，他看到更多的類似現(xiàn)象,。Mojica由此踏入該領(lǐng)域,，使重復(fù)序列研究成為他在西班牙阿利坎特大學(xué)集中研究的對(duì)象。

這并不是一個(gè)受歡迎的決定,。他的實(shí)驗(yàn)室連續(xù)數(shù)年沒有收到資助,。在會(huì)議上，Mojica會(huì)抓住機(jī)會(huì)逮住他能找到的任何大人物追問他們?nèi)绾慰创@種奇怪的小序列重復(fù),?！皠e太關(guān)注重復(fù)?！彼麄兛偸沁@樣警告他,。“很多有機(jī)體中都有很多重復(fù),。我們知道它們已經(jīng)有幾年了,，但并不知道它們中的大多數(shù)如何工作?！?/p>

今天，人們已經(jīng)了解到更多關(guān)于這個(gè)團(tuán)簇的信息,，即定期中間短回文的重復(fù)序列,，這使它獲得了CRISPR的名字,，并幫助CRISPR-Cas微生物免疫系統(tǒng)毀滅入侵細(xì)菌。但是盡管生物醫(yī)藥領(lǐng)域大多數(shù)人已經(jīng)開始敬畏這一系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制,，尤其是一種叫作CRISPR-Cas9的版本,，因?yàn)樗杀挥糜诰庉嫽颍琈ojica和其他微生物學(xué)家仍對(duì)該系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)問題以及它如何運(yùn)行感到困惑,。它如何演變,？如何影響微生物演化？為什么一些微生物在使用它,，而另一些則沒有,？它是否在基礎(chǔ)生物學(xué)上擁有一些其他仍待了解的優(yōu)點(diǎn)？

它來自哪里,？

諸如CRISPR-Cas的生物學(xué)優(yōu)勢(shì)非常明顯,。原核生物（細(xì)菌以及鮮有人知道的被稱為古生菌的單細(xì)胞生物）面臨基因入侵者的不斷沖擊。病毒數(shù)量遠(yuǎn)超過原核生物,，其數(shù)量比可達(dá)10:1,，并且每過兩天就會(huì)殺死世界上一半的細(xì)菌。原核生物還會(huì)交換DNA的廢棄物：質(zhì)粒,。它們可能是寄生的——通過使宿主的資源逐漸枯竭迫使其自殺,，如果宿主在設(shè)法驅(qū)逐這個(gè)“搭便車”的分子。似乎沒有什么地方是安全的：從土壤到海洋到地球上最不宜居的荒涼地方,，基因入侵者無處不在,。

原核生物已經(jīng)進(jìn)化出大量武器來應(yīng)對(duì)這些威脅。但這些防御有些遲鈍,。每個(gè)酶都經(jīng)過規(guī)劃以識(shí)別特定的序列,，只有當(dāng)一個(gè)微生物獲得爭(zhēng)取的基因復(fù)本，它才可能得到保護(hù),。CRISPR-Cas更具活力,。它能以類似于人類抗體在感染后提供長(zhǎng)期免疫的方式適應(yīng)和記住具體的基因入侵者?！爱?dāng)我們一開始聽到這種假設(shè),，我們認(rèn)為這種方式對(duì)于簡(jiǎn)單的原核生物可能過于復(fù)雜了?！?span>荷蘭瓦赫寧根大學(xué)微生物學(xué)家John van der Oost說,。

Mojica和其他人在看到CRISPR回文重復(fù)之間的空間中的DNA有時(shí)和病毒基因組中的序列相匹配時(shí)，他們推斷了CRISPR-Cas的功能,。從那時(shí)起,，研究人員開始研制出與CRISPR相關(guān)聯(lián)的特定蛋白，并在細(xì)菌和古生菌接觸特定病毒或質(zhì)粒之后,，將這些間隔的序列添加到基因組中,。來自于那些間隔區(qū)的RNA會(huì)指導(dǎo)其他Cas蛋白吞掉任何與該序列相匹配的入侵DNA或RNA,。

它如何工作？

近年來,，很多關(guān)于Cas蛋白補(bǔ)充間隔區(qū)的分子細(xì)節(jié)已經(jīng)得到詳細(xì)了解,，但病毒DNA在化學(xué)上近似于宿主DNA。在一個(gè)承載著DNA的細(xì)胞中,，這些蛋白如何知道將哪個(gè)DNA添加到CRISPR-Cas記憶中,？

這一賭注非常高：如果一個(gè)細(xì)菌添加了它本身DNA的一個(gè)片段，它會(huì)因?yàn)樽詣?dòng)免疫進(jìn)攻而自殺,。立陶宛維爾紐斯大學(xué)生化學(xué)家Virginijus Siksnys說,，“這些酶是一把雙刃劍?！?/p>

可能是因?yàn)榧?xì)菌和古生菌種群能夠吸收一定錯(cuò)誤,，美國(guó)北卡羅萊納大學(xué)微生物學(xué)家Rodolphe Barrangou說。如果其他細(xì)胞能夠在病毒攻擊之后蓬勃發(fā)展,，一些細(xì)胞的自殺可能并不重要,。

實(shí)際上，當(dāng)病毒潛入細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)時(shí),，通常1000萬個(gè)細(xì)菌中會(huì)有一個(gè)細(xì)菌獲得一個(gè)自我防御的間隔區(qū),。這一幾率使得研究是什么驅(qū)動(dòng)間隔區(qū)識(shí)別非常困難，同時(shí)了解為什么其他細(xì)胞失敗之后另一個(gè)細(xì)胞會(huì)繼續(xù)下去也很困難,?！爱?dāng)它真正發(fā)生的時(shí)候，很難捕捉到那些細(xì)菌,?！?span>紐約洛克菲勒大學(xué)微生物學(xué)家Luciano Marraffini說。

它還可能做什么,？

一些間隔區(qū)的起源是另一個(gè)謎題,。到目前為止觀測(cè)到的低于3%的間隔區(qū)與DNA數(shù)據(jù)庫中任何已知的序列相匹配。

這反映了人們對(duì)病毒了解得多么少,。大多數(shù)測(cè)序工作集中于那些感染者,、牲畜或是莊稼?！拔覀儗?duì)細(xì)菌的敵人知之甚少,，特別是瘋狂的古生菌的敵人?！毖诺渥糁蝸喆髮W(xué)RNA生物學(xué)家Michael Terns說,。

還有可能一些間隔區(qū)是已經(jīng)不存在或者變異到不可分辨的病毒的鬼魂。但第三種可能性也是熱門的研究領(lǐng)域。研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas系統(tǒng)不僅是阻止基因入群者的案例,。在一些細(xì)菌中,，CRISPR-Cas成分會(huì)控制DNA修復(fù)、基因表達(dá)和生物膜的形成,。它們還能決定一個(gè)細(xì)菌影響其他細(xì)菌的能力：嗜肺軍團(tuán)菌會(huì)導(dǎo)致退伍軍人病癥，它們一定擁有Cas蛋白Cas2,，從而感染其天然宿主變形蟲,。“一個(gè)主要的問題是有多少生物在防御之外,?！?馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子生物學(xué)家Erik Sontheimer說，“這是未來幾年若干只‘靴子’要落地的領(lǐng)域,?！?/p>

為什么只有一些微生物會(huì)用它？

無論CRISPR-Cas有什么其他的功能,，很明顯一些微生物使用它的幾率超過另一些,。超過90%的古生菌具有基于CRIPSR的免疫，而經(jīng)過測(cè)序的細(xì)菌僅有1/3擁有它,，Koonin說,。并沒有非原核生物，甚至是單細(xì)胞生物,，被發(fā)現(xiàn)存在CRISPR-Cas,。

其中一種叫作納古菌的古生菌就像一種寄生蟲一樣，寄生在接近沸水中的另一種古生菌身上,，并分發(fā)了很多與能量制作相關(guān)的基因和常規(guī)的細(xì)胞管家,。然而，在其49萬DNA字母的說明書的小世界中,，納古菌在CRIPSR-Cas系統(tǒng)上擁有約30個(gè)間隔區(qū),。“其一大部分基因組致力于CRISPR,?！?span>英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)分子生物學(xué)家Malcolm White說，“CRISPR一定非常重要,，然而我們并不知道其原因,。”

這樣的不同表明有一些關(guān)鍵的生態(tài)因素支持CRISPR-Cas系統(tǒng),，更重視病毒防御或其他益處,，而非細(xì)胞自殺的風(fēng)險(xiǎn)，埃克塞特大學(xué)彭林校園微生物學(xué)家Edze Westra說,。極端環(huán)境似乎會(huì)支持CRISPR-Cas系統(tǒng),，但Westra強(qiáng)調(diào)，類似系統(tǒng)的頻率在更適宜居住的棲息地的細(xì)菌中間也會(huì)呈現(xiàn)出一定變化,。例如鳥類病原體——雞毒支原體在其宿主從雞轉(zhuǎn)變?yōu)橐叭笗r(shí)會(huì)丟掉其CRISPR-Cas裝備,。然而，為什么該系統(tǒng)在雞身上有用,，但在野雀身上無用,，誰也說不清楚，Westra說,。

存在多少種CRISPR-Cas類型,？

研究人員已經(jīng)正式分辨出6種不同的CRISPR系統(tǒng)，包含19個(gè)亞種,?！皩?shí)際上我們只知道它們中一小部分在發(fā)揮作用?！盡arraffini說,。

解開那些機(jī)制可能就會(huì)找到利用CRISPR-Cas系統(tǒng)的新生物技術(shù)。例如,，備受科學(xué)家喜愛的CRISPR—Cas9屬于II 系統(tǒng),，該系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)錄自間隔區(qū)序列的RNA分子導(dǎo)向一種酶，切斷入侵病毒或DNA質(zhì)粒,。

系統(tǒng)III是自然界最常見的CRISPR-Cas系統(tǒng),，也是了解最少的系統(tǒng)。到目前為止,，證據(jù)表明它們不是對(duì)DNA或RNA自身作出回應(yīng),，而是對(duì)把DNA轉(zhuǎn)譯到RNA內(nèi)部的過程作出回應(yīng)。其他的系統(tǒng)可能也會(huì)突然出現(xiàn),，尤其是研究人員將他們的尋找目標(biāo)擴(kuò)展到培養(yǎng)皿之外時(shí),，包括了來自環(huán)境DNA樣本的基因測(cè)序。

對(duì)于Mojica來說,，探索這種多樣性并回答關(guān)于CRISPR系統(tǒng)的基本問題比它們引發(fā)的革命更吸引人,。“我知道它是個(gè)非常了不起的工具,。它妙極了,。它可以被用于治療疾病?！?span>Mojica說,，“但這不是我的事,。我想知道這個(gè)系統(tǒng)從頭到尾如何工作?！?strong>（晉楠編譯）