研究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在原始细菌中取得的进化进步，而原始细菌是基因编辑的原始大师。

　　像哥伦比亚大学的萨姆·斯滕伯格(Sam Sternberg)这样的现代基因组工程师总是在向前看，修改这些古老的系统，并推动它们完成更复杂的基因编辑壮举。

　　但为了发现新的工具，有时需要回顾过去，了解细菌最初是如何创造出原始系统的，以及为什么要这样做。

　　在一项发表在《自然》杂志上的新研究中，斯滕伯格和他的博士后吉斯·米尔斯博士回到过去，研究了潜伏在所谓的“跳跃基因”内的CRISPR- cas9的前体，揭示了CRISPR的DNA剪刀是如何进化的。

　　他们的发现揭示了数千个新发现的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。

　　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，然后切割病毒基因组。

　　几年前，科学家们将CRISPR-Cas9的起源追溯到转座子，这是一种可移动的遗传元件，也被称为“跳跃基因”，通过一种被称为转座的神秘过程，从基因组的一个位置跳到另一个位置。

　　斯滕伯格说:“当一种生命形式从另一种生命形式那里窃取基因时，我们在实验室研究的许多生物学课题就出现了——例如，细菌从病毒、质粒或转座子等可移动的遗传元素那里窃取基因，然后这些基因被重新利用，进行类似的生化反应，但功能完全不同。”

　　转座子链接很快将研究人员引向了潜在的新编辑工具的宝库:数千个古老的转座子在细菌基因组中仍然活跃，每个转座子都携带一种rna引导的DNA核酸酶，这种酶有可能被基因组工程师——人类——编程来切割DNA。

　　基因组工程师现在正致力于利用这些系统，但对斯滕伯格和米尔斯来说，一个重要的问题仍未得到解答。

　　Meers说:“这些转座子在它们自己的酶(称为转座酶)的帮助下进出基因组。”“它们不需要DNA剪刀，也不需要向导rna。

　　“那么，为什么它们携带rna引导的DNA剪刀基因呢?”

　　这是一个很难解决的问题。

　　Meers解决的第一个难题是找到具有许多活性转座子副本的合适细菌，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，所以Meers选择了嗜热地杆菌，一种有几十个活跃跳跃基因的嗜热细菌。

　　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，捕捉了在细菌基因组中移动的跳跃基因，在质粒中跳跃，从一个菌株跳到另一个菌株。“没有这种方法，你最终只是孤立地研究DNA剪刀，阻止了一个整体的观点，把整个故事拼凑在一起，”斯滕伯格说。

　　有了这些实验，Meers和sternberg在实验室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，跳跃基因可以跳到新的位置，但容易迅速灭绝。(细菌不断地试图灭活可移动的遗传元素，包括转座子。)

　　这种类似crispr的分子剪刀在切割DNA后，将转座子的拷贝引导到它跳跃的位置，从而防止了基因的灭绝。

　　Meers说:“通过这种‘剪切和复制’策略，转座子的增殖速度比它永久丢失的速度要快。”实际上，自然界最强大的基因组编辑器最初是为了将自己编辑到基因组中，自私地促进自己的传播。

　　因为CRISPR-Cas是从在细菌王国中成千上万个拷贝中发现的转座子进化而来的，很可能大自然已经从这些强大的转座子基因中创造了其他系统，这些系统正在等待被发现。