微生物中发现的CRISPR样基因切割酶

对CRISPR酶祖先的搜索已经揭示了超过一百万种潜在的基因组编辑工具。

　　

通过探索CRISPR基因组编辑系统中使用的一种酶的进化起源，研究人员发现了潜伏在微生物基因组中的100多万种其他潜在编辑器。

这项研究发表在9月9日的《科学》杂志上，它在一个名为IscB的蛋白质家族中发现了新的编辑酶。这些蛋白质被认为是Cas9酶的祖先，这种酶被称为CRISPR的分子剪刀。在基因组编辑过程中，Cas9与RNA片段合作，引导酶找到并切割特定的DNA序列。这项技术依赖于RNA作为引导系统，这是其多功能性和广泛应用的一个关键原因，因为它允许研究人员轻松地将Cas9定位到他们想要改变的基因组区域。

酶工程增强的超精确CRISPR工具 

该研究的主要作者、剑桥麻省理工学院的分子生物学家张锋说，发现了其他能够切割DNA的RNA靶向酶，可能会为基因组编辑提供进一步的工具。“这些可编程蛋白质非常有用，超出了基本的生物学兴趣，”他说。“这种rna引导的DNA识别机制很可能是大自然多次独立创造的东西。”

尽管研究人员已经将其用于基因工程，但CRISPR被认为是一种微生物防御系统，可以让细菌和其他被称为古生菌的单细胞生物通过发送Cas9来咀嚼病毒和其他基因入侵者的DNA。计算机研究表明，Cas9可能是从IscB家族的蛋白质进化而来的，该家族由转座子或“跳跃基因”编码，可以在基因组中跳转到新的位置。到目前为止，IscB蛋白的功能还不清楚。

张和他的同事们发现，负责编码IscB蛋白质的DNA通常位于一类RNA分子的DNA附近，他们称之为ωRNA。他们还发现，一些IscB蛋白可以在ωRNA序列指定的位置切割DNA，就像Cas9及其引导RNA一样。

该团队继续研究另一个名为TnpB的蛋白质家族，该家族被认为是另一种名为Cas12的dna切片crispr相关酶的祖先。他们发现，在ωRNA的引导下，其中一些蛋白质也能切割DNA。

意想不到的多样性

麻省理工学院(MIT)的分子生物学家、该研究的第一作者之一Soumya Kannan说，数据库搜索结果显示，有100多万个基因可能携带TnpB蛋白的密码，有些生物含有这些基因的100多个副本。 

IscB基因不仅存在于细菌和古生菌中，还存在于藻类细胞内的光吸收叶绿体中。这是首次在真核生物(细胞中含有细胞核的生物，包括所有的植物和动物)中发现这样的基因组编辑系统——这一令人惊讶的结果表明，真核生物比之前认为的更广泛。“每次我演讲时，人们总是问我是否在真核细胞中看到了CRISPR活动，”张说。“现在，我终于可以答应了。”

在自然界中，这些基因可以执行各种功能，包括防御或调节其他基因的表达。在实验室中，这一发现可能会产生大量编辑工具。Zhang和他的团队发现IscB可以用来切割人类DNA，尽管其效率低于流行的CRISPR-Cas9系统。但是张说，IscB系统还可以改进，并指出IscB蛋白的小尺寸可能会使它在某些应用中更容易使用。

对于堪培拉澳大利亚国立大学的遗传学家Gaetan Burgio来说，这项研究的真正美妙之处在于它对理解进化的贡献，以及最终为iscb这样一个大而普遍的蛋白质群赋予可能的功能。“这绝对令人着迷，”他说。“它填补了一个重要的空白:我们真的不知道这些CRISPR系统是如何变成CRISPR的。”