CRISPR

什么是 CRISPR?

CRISPR 是一种有规则间隔的短回文重复簇(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)的缩写。它是细菌和古细菌中的一个 DNA 序列家族 [1]。该序列包含来自攻击原核生物的外源 DNA 片段。这些片段被原核生物用于在随后的攻击中检测和破坏来自类似病毒的 DNA。这些序列在原核生物防御系统中起关键作用,并构成 CRISPR/Cas9 技术的基础 [2]。

CRISPR 重复序列是在 1987 年意外发现的。在测定编码大肠杆菌中转化氨肽酶的碱性磷酸酶同工酶的基因序列时,在该基因的下游检测到一种特殊的重复序列。重复序列包含 5 个 29-nt 重复的相同序列,由 32-nt 独特序列间隔开,其中 1 个重复位点是大肠杆菌 CRISPR-Cas 系统聚集的 12 个重复位点的一部分(后来被分类为 I-E2 型)。随后,在其他大肠杆菌菌株和密切相关的肠杆菌中发现了类似的重复序列。古细菌 CRISPR 重复序列于 1993 年首次被发现。迄今为止,CRISPR 系统在大约 50% 的测序细菌基因组和近 90% 的测序古细菌中发现 [7]。

什么是 CRISPR 系统?

CRISPR-Cas 系统是一种原核免疫系统,它对外源侵入性遗传元件(如质粒和病毒)具有防御作用,从而可以提供一种适应性免疫 [3,4,5]。CRISPR-Cas 系统是生命进化史上,细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器。该系统已迅速成为生命科学的热门技术,具有精准、廉价、易于使用等特点。CRISPR-Cas 系统主要由两部分组成:由间隔区和重复序列组成的 CRISPR 基因座和由 Cas 基因组成的操纵子。

感染后,新的外源 DNA 序列(质粒或病毒)被捕获并作为新的间隔物整合到宿主 CRISPR 基因座中。随后,转录和加工 CRISPR 基因座以产生成熟的 CRISPR RNA(crRNA),每个 crRNA 都编码一个独特的间隔序列。而 Cas 基因操纵子的表达产生 Cas 蛋白。crRNA 可以与 Cas 蛋白结合形成核蛋白复合物,通过特异性识别入侵遗传元件,沉默与 crRNA 序列匹配的外源遗传元件。利用这个系统,细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除。一些 Cas(CRISPR 相关)蛋白识别并切割外源 DNA,另有一些其他 Cas 蛋白可以切割外源 RNA [6]。

CRISPR 系统的免疫过程

图 1. CRISPR 系统的免疫过程。From Doudna's Lab

由于其稳健性和灵活性,CRISPR 应用正变得越来越普遍。CRISPR 已成为一种多功能工具,不仅改变了基因编辑研究,还改变了许多其他基因组和染色质操作工作。这些应用领域主要是因为催化失活的 dead Cas9(dCas9)的可编程靶向能力,其不能切割 DNA 但仍可被引导至靶序列。虽然天然 Cas9 可通过其 DNA 切割活性实现基因编辑,催化功能受损的 Cas9 酶也可用于实现靶向基因调控,表观基因组编辑,染色质成像和染色质拓扑操作等。

另一个重要的里程碑是第一个具有精确遗传修饰的灵长类动物,这是胚胎中基因编辑的结果。该发现允许在与人类非常相似的动物中开发疾病模型。类似的方法可用于改变人类胚胎中的 DNA 以预防非复杂的遗传性疾病,但也可用于尝试改变复杂的性状,这引发了广泛的伦理讨论。CRISPR 正在成为生物研究中不可或缺的工具。毫无疑问,基于 CRISPR 的技术将继续改变基础以及临床和生物技术研究。然而,前方的道路并非没有障碍。未来还需要进行更多深入的研究。

CRISPR 参考文献

1. Barrangou R (2015). The roles of CRISPR-Cas systems in adaptive immunity and beyond. Current Opinion in Immunology. 32: 36–41.
2. Zhang F et al. (2014). CRISPR/Cas9 for genome editing: progress, implications and challenges. Human Molecular Genetics. 23 (R1): R40–6.
3. Redman M et al. (August 2016). What is CRISPR/Cas9?. Archives of Disease in Childhood. Education and Practice Edition. 101 (4): 213–5.
4. Barrangou R et al. (March 2007). CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science. 315 (5819): 1709–12.
5. Marraffini LA, Sontheimer EJ (2008). CRISPR interference limits horizontal gene transfer in staphylococci by targeting DNA. Science. 322(5909): 1843–5.
6. Mohanraju P et al. (2016). Diverse evolutionary roots and mechanistic variations of the CRISPR-Cas systems. Science. 353 (6299): aad5147.
7. Hille F et al. (March 2018). The Biology of CRISPR-Cas: Backward and Forward. Cell. 172 (6): 1239–1259.