CRISPR的五个迷

Francisco Mojica并不是第一个发现CRISPR的人，但他很可能是世界上第一个被CRISPR所吸引的人。1992年的一天，当Mojica第一次发现这种微生物免疫系统的时候，他变深信这个伟大的发现将在不远的未来引起生物技术的一场革命。

今天，学术界对CRISPR有了更多的了解，作为微生物的免疫系统，CRISPR-Cas帮助微生物摧毁入侵其体内的病毒核酸。即便如此，越来越多的生物医学家仍然在思考着CRISPR-Cas系统的根本来源与进化方式。Mojica和其他诸多微生物学家仍然对一些涉及CRISPR-Cas系统的基本问题及其工作原理表示出无限的困惑。它是如何演变的？它是如何同微生物一起进化的？为什么一些微生物拥有CRISPR-Cas系统而其他一些微生物没有？也许CRISPR-Cas系统在微生物细胞体内还发挥着其他未被人们发现的基本生物学功能。

它从哪里来？

CRISPR-Cas等细菌免疫系统的生物学优势是非常清楚的。大多数细菌和单细胞的古细菌都生活在极端恶劣的环境中，面对着入侵者外源核酸的持续冲击。而全世界病毒的数量是原核生物的十倍，据说，病毒们每两天便会杀死全世界一半的细菌。另外，原核生物的质粒DNA也可能曾是一种寄生生物，或许CRISPR-Cas系统也正如原核细胞内的质粒一样，从它们的宿主中获取着各种分子以保持自身结构的稳定。

它是如何工作的？

近年来，许多关于Cas蛋白添加间隔分子的细节已经得到了更细致研究的阐明。 但病毒DNA在化学成分上几乎与宿主DNA完全相同，在含有外源病毒DNA的细菌细胞中，cas蛋白如何识别添加到CRISPR-Cas系统中的外源病毒DNA？

在理论上，CRISPR-Cas系统的错切风险是很高的：如果一种细菌的自身DNA的发生了复制，那么它可能也会受到自身免疫系统的自杀性攻击。

CRISPR-Cas系统还在做着什么？

目前，已知CRISPR序列中仅有不到3%的序列能够与现有DNA数据库中的任何已知序列匹配。虽然这可能是人类对病毒基因知之甚少的一个结果。现有的大多数测序工作都集中在了病人，牲畜或作物基因组上。雅典大学RNA生物学家Michael Terns说：“我们对细菌的敌人，特别是古生菌的敌人知之甚少。”

为什么并不是所有微生物都使用CRISPR-Cas系统？

无论CRISPR-Cas还具有什么其他功能，显然一些特殊的微生物体内存在着相比于其他微生物更大量的CRISPR-Cas序列和蛋白。90％的古细菌具有基于CRISPR的免疫系统，而只有约三分之一的已知细菌细胞内存在这个系统。

一种被称为Nanoarchaeum equitans的古细菌以寄生的方式生活于另一种沸水古细菌的细胞内，这种以寄生形式生存的古细菌已经进化遗失了与能量产生和表达调控相关的许多基因。然而，在其仅有490,000个碱基的微小基因组中，N. equitans却持有着约30个CRISPR-Cas系统。 “这类寄生古细菌的一大部分基因组为了CRISPR系统而存在，”英国圣安德鲁斯大学的分子生物学家Malcolm White说。 “CRISPR对于这类生物来说是如此重要，然而我们却不知道这究竟是为什么。

究竟存在多少种CRISPR-Cas系统？

相比之下，人类目前更倾向于研究CRISPR-Cas9系统。其由于其在基因组编辑过程中的简单性和多样性，CRISPR-Cas9系统得到了绝大多数科学家的重视，但是微生物们却对Cas9没有多大兴趣。相反，微生物更倾向于混合和匹配不同的CRISPR-Cas系统，他们迅速从其他细菌中获取新的CRISPR-Cas系统并丢弃它们原有的类型。

目前，研究人员已经正式确定了6种不同类型CRISPR系统的存在，共有19种亚型。 “我们真的只知道他们中一小部分的实际工作，”Marraffini说。

揭开其他CRISPR-Cas系统的分子机制可能是实现新型基因编辑技术应用的关键所在。

（转化医学网360zhyx.com）