遗传学大牛Science发布CRISPR/Cas重要研究成果

　　

生物通报道  根据发表在6月9日《科学》（Science）杂志上的一项研究报道，哈佛大学的研究人员利用细菌CRISPR/Cas适应性免疫系统，开发出了一种方法长期记录活细胞中的分子事件。这一系统将特异的合成DNA元件按一种时间上有序的排列整合到了细菌基因组中，一旦测序就可以提供细菌DNA事件时间表的读取值。

特拉维夫大学微生物学家Udi Qimron（未参与该项工作）说：“这项工作的重要之处在于提供了一个原理证明：或许可以利用一种令人着迷的细菌免疫系统来作为一种具有骄人记录能力的工具。”

CRISPR/Cas系统是通过从感染病毒基因组中剪掉一些短DNA元件，将这些元件整合到细菌基因组中（CRISPR位点），利用整合元件生成的RNAs直接破坏对应病毒来发挥功能。从本质上说，就是细菌记下了病毒危害物的DNA，利用它来对抗病毒。

将这些病毒DNA元件（低聚物）整合到CRISPR位点是随机的：大多数最新的病毒元件都一致地整合在这一阵列中旧病毒元件的前面。哈佛大学的George Church和同事们认为，整合的这种时间顺序可以构成分子记录设备的基础。研究人员认为，如果可以将定义的合成DNA低聚物像病毒元件一样整合到CRISPR位点，随后测序细胞的CRISPR位点就可以提供细胞暴露于哪种低聚物以及时间的记录。

为了验证这一想法，研究小组利用了包含一个CRISPR DNA位点和一个精简版本Cas蛋白机器的一种大肠杆菌菌株。这一最小的Cas蛋白机器是由可诱导版本的Cas1和Cas2构成（这些酶是整合DNA低聚物必需的），但却缺乏破坏病毒所需的所有Cas机器。研究人员发现，通过将特异的合成DNA序列以一种定时的方式（例如，在不同的日子给予不同的低聚物）导入到这些细胞中，生成的CRISPR位点序列确实准确地反映了低聚物导入的顺序。

加州大学伯克利分校生物工程师Adam Arkin（未参与该研究工作）说：“这是第一次演示有序获得有意导入的DNA序列。”

利用定向进化，研究小组继续构建出了新版本的Cas1和Cas2，尽管仍然在时间上有序，它们可以一种与野生型Cas1和Cas2略微不同但可辨别的方式整合低聚物。让这些改造的Cas酶处于一种不同的诱导物控制下，使得研究人员能够以两种不同的模式来记录DNA事件——这取决于操作的Cas1 和2是何版本。

Church说：“实质上，我们正在测量核酸的浓度。理想的情况它应是信使RNAs，但在本案例中它是DNA。这是在通往其他事物的道路上的一个原理证明。”

例如，Church提出，如果在细胞或动物中结合CRISPR/Cas系统和一种逆转录酶，可以利用它来记录表达的信使RNAs及时间。

Arkin提出，另一种可能是利用CRISPR/Cas工程菌提供一种环境中（土壤、人类肠道或任何地方）其他微生物的信息。

Arkin说：“这种细菌能杀死一些邻近的细菌，分泌一种酶切割它们的DNA，表达一种能力系统来获得DNA。这听起来很疯狂，但一些细菌天生就能做到这一点。”随后可以将外源的微生物DNA整合到这一细菌的CRISPR位点。

Arkin说，这样的应用还只是一些遥远的可能性，但 “从概念上讲，新论文在地上设置了标志，指出了‘我们应该怎样前进。’”

George Church是遗传学界的大牛，被誉为是个人基因组学和合成生物学的先锋。1984年，Church和Walter Gilbert发表了首个直接基因组测序方法，该文章中的一些策略现在仍应用在二代测序技术中。此外，如今的多重化分子技术和条码式标签也是他发明的，Church还是纳米孔测序技术的发明者之一。

2016年6月1日，George Church以通讯作者身份，在国际著名期刊《The FEBS Journal》发表综述文章，畅谈CRISPR这项革命性技术的下一站：RNA引导的表观遗传学调节因子（遗传学大牛谈CRISPR革命的下一站）。

在发表于2016年5月23日Nature Methods杂志上的一项研究中，Church研究小组报告了严格对比合成Cas9激活蛋白的情况，并列出了在来自人类、小鼠和果蝇等生物的各种细胞类型中最常用的人造Cas9激活子。研究结果为科研人员提供了一个有价值的指南，使得他们能够简化研究努力（遗传学大牛Nature Methods发布CRISPR重要成果 ）。

质谱分析检测小分子产量是非常灵敏和可靠的，但这种技术太麻烦了，成本高而且速度慢。目前只有少数几种化合物拥有自己的生物感应器。Church实验室为此开发了一个通用的模块化系统，理论上能为任意小分子制造感应器，而且适用于任何一种细胞（遗传学大牛开发全能型检测技术 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

S.L. Shipman et al., “Molecular recordings by directed CRISPR spacer acquisition,” Science, doi:10.1126/science.aaf1175, 2016.