Nature：竞争太激烈了！“女神”发现2个CRISPR新系统

12月22日，在线发表于Nature杂志上的一项研究中，科学家们又为CRISPR家族找到了新的成员：CRISPR-CasX 和CRISPR-CasY。加州大学伯克利分校的Jillian F. Banfield教授和CRISPR先驱Jennifer A. Doudna 教授是这一研究的共同通讯作者。

CasX仅由980个氨基酸组成

据悉，CasX仅由980个氨基酸组成，远小于其它Cas蛋白。最常使用的Cas9共包含1368个氨基酸。而CasY由约1200个氨基酸组成。Banfield说：“这两种新型的Cas蛋白真的非常小，尤其是CasX。这意味着，它可能更加有用。”以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek表示，这是非常重要的发现。从基因编辑的角度，递送小基因到细胞内要比递送大基因容易得多。

通过与Jennifer Doudna合作，Banfield的研究小组证明了CasX 和 CasY的功能性。研究人员在大肠杆菌中重建了CasX 和CasY系统，发现它们能够对细菌起到保护作用，阻止外源DNA转化。Doudna的研究小组正在调查这两个系统是如何工作的，希望它们能够成为基因编辑的补充工具。

Banfield gathering data at the Rifle site in Colorado, where she collected bacteria that were found to contain a new CRISPR-CasX system never before seen. (Roy Kaltschmidt photo, 2014)

发现过程

微生物利用多种CRISPR-Cas系统组成了它们的免疫力，其中，II类CRISPR系统（特别是基于核酸酶Cas9的系统）已成为最热门的基因编辑工具。值得注意的是，过去，科学家主要是基于在实验室中可培养的细菌开发CRISPR系统。而此次，CRISPR-CasX 和 CRISPR-CasY是在不可培养（uncultivated）的微生物中发现的。这类群体有望成为新型基因编辑系统的潜在来源。

An uncultivable bacteria, probably symbiotic and living off other microbes in groundwater, has small hair-like pili covering its outer surface. It is about 250 nanometers in diameter, among the smallest known microbes. (Banfield lab image)

在过去的十年中，Banfield和同事从多个地方收集微生物，提取它们的DNA，重建它们的基因组。研究小组希望能够找到新的CRISPR系统。通过分析宏基因组数据库（包含成千上万的微生物基因组，大多数为不能培养的细菌和古生菌），寻找与编码Cas9蛋白序列相似的基因序列，研究小组最终发现了CRISPR-CasX 和 CRISPR-CasY。Banfield说：“我们搜索了包括1.55亿个蛋白的数据，只找到了CasX 和 CasY。”

此外，他们还在古生菌基因组中找到了Cas9的序列。值得注意的是，科学家先前只发现古生菌使用I类CRISPR系统，而II类CRISPR系统仅在细菌中被发现。

强大的基因编辑家族

近几年，基因编辑工具家族可谓是越来越壮大。目前II类系统中已经实验证明能够切割DNA的酶包括Cas9、Cpf1 和 C2c1；此外，C2c2被证明能够切割RNA；另一个假定的系统CRISPR- C2c3可能能用于切割DNA。

CRISPR-Cpf1

CRISPR-Cpf1系统最早由张锋等人在去年的一篇Cell文章中提出。本月发表在Nature Biotechnology上的最新成果（论文：Multiplex gene editing by CRISPR–Cpf1 using a single crRNA array）证实，CRISPR-Cpf1系统能够克服Cas9靶向多个基因位点的限制。使用单个定制的CRISPR阵列，研究人员实现了在哺乳动物细胞中同时编辑多达4个基因，在小鼠大脑中同时编辑3个基因。【详细】

CRISPR-C2c1

本月，Cell杂志发表了一篇关于CRISPR-C2c1系统的新成果（论文：PAM-Dependent Target DNA Recognition and Cleavage by C2c1 CRISPR-Cas Endonuclease）。中国科学院生物物理研究所高璞课题组与美国Sloan研究所 Dinshaw J. Patel课题组合作，揭示了CRISPR-C2c1响应外源DNA的作用机制。

具体来说，研究中，科学家们首先解析了C2c1-sgRNA二元复合物及C2c1-sgRNA-DNA多种三元复合物结构。通过结构分析，揭示了C2c1不同于Cas9和Cpf1的独特target DNA识别和切割方式。研究首次明确了C2c1对双链DNA的切割会产生7nt的粘性末端。这是目前所有用于基因组编辑的CRISPR-Cas系统所能产生的最长粘性末端，将有希望提高切割后的连接效率。

CRISPR-C2c2

今年6月，发表在Science上的一项研究中（论文：C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNA-targeting CRISPR effector），张锋等人描述了一种具有靶向和降解RNA能力的RNA导向酶（RNA-guided enzyme）C2c2，并描述了该酶的功能特征。研究表明，仅靶向RNA的CRISPR/C2c2系统能够帮助细菌对抗病毒感染。

小编说

这两年，Jennifer Doudna与张锋在CRISPR领域的竞争极为激烈。除了仍未有结论的专利之争，两个人在科研领域和商业领域都在你追我敢。此次，新系统发现后，加州大学抓紧申请了专利，已向美国专利与商标局提交了临时专利申请（ Provisional Patent ）。

最后，回到技术本身，小编想引用Jennifer A. Doudna在接受Cell采访时说过的话：CRISPR技术让科学家们以前所未有的轻松度、准确度以及效率，真正实现了编辑任何有机体的遗传信息，包括人类细胞。CRISPR的多功能性为能够改善人类生活的生物学和医学研究带来了新的、更广泛的可能。

参考资料：

The-scientist：New CRISPR-Cas Enzymes Discovered

Berkeley News：Compact CRISPR systems found in some of world’s smallest microbes