幸亏克里斯普基因治疗和“设计婴儿”现在已经成为现实。基因编辑瑞士军刀是过去十年中最具影响力的生物医学发现之一。现在一项新的研究这表明我们刚刚开始将脚趾伸入水中克里斯普池塘

CRISPR-Cas9来源于低等生物。它首先在细菌和酵母细胞中被发现是一种天然机制,有助于抵御入侵的病毒。这让这项技术的先驱之一张峰博士提出了一个问题:这个系统从何而来?CRISPR家族树还有其他分支可以用来进行基因编辑吗?

在上周出版的一篇新论文中科学张的团队追溯了CRISPR的起源,揭示了大量潜在的基因编辑工具。作为“表亲”克里斯普,这些新蛋白质可以很容易地在皮氏培养皿中剪断目标基因,类似于它们著名的亲戚。

但与以前的CRISPR变体不同,这是一个全新的家族。它们统称为欧米茄,其作用类似于CRISPR。然而,他们使用完全外来的“剪刀”蛋白质,以及科学家以前不熟悉的外来RNA指南。

令人惊讶的是,这些替代系统的数量如此之多。一项大数据搜索发现了超过一百万个潜在的基因位点,这些位点只编码这些表兄妹中的一个,远比“先前的猜测”更为广泛。作者说,这些新发现的蛋白质类具有“作为生物技术发展的巨大潜力”。

换言之,下一个基因编辑神童可能会静静地等待在另一个细菌或藻类中,准备重新设计来剪断、编辑和改变我们自己的基因组,以迎接下一次基因革命。

CRISPR的多种变体

第一个出名的CRISPR系统是CRISPR-Cas9。这个想法很简单,但很聪明。科学家们可以使用基因载体——一种将基因送入细胞的圆形特洛伊木马——对这两种成分进行编码,以进行基因编辑。一种是引导RNA,它将系统导向目标基因。另一种是Cas9,一种破坏基因的“剪刀”。一旦一个基因被剪断,它就想要愈合。在这个过程中,有可能插入新的遗传密码,删除旧的密码,或者以使后续基因失活的方式改变密码。

由于相对简单,克里斯普不是刚起飞,而是飞涨。随后的研究发现,变异优化的任务略有不同。例如,有一些Cas9品种的非靶向活性很低或更小,使它们更容易包装和运送到细胞中。其他包括交换DNA字母而不破坏链的碱基编辑器,或像文字处理器一样编辑RNA链的RNA编辑器。

新兴的克里斯普万神殿的部分原因是不同的Cas“剪刀”蛋白质。尽管存在数千种变体,写的Lucas Harrington博士在加利福尼亚大学,伯克利,谁与CRISPR先驱Jennifer Doudna博士合作,“基因编辑实验主要集中在一小部分的代表。”扫描新的变种在自然界中,团队发现强大的新的CAS蛋白,保持他们的活动在高温,而且非常紧凑,可以潜入基因组的角落和缝隙,否则会阻止经典的Cas蛋白质。Cas变异的力量说服科学家人工进化出具有更优化特性的新蛋白质。

但是,如果更好的基因编辑工具的秘密不仅仅是展望未来呢?如果是为了及时回头看呢?

CRISPR祖先

新的研究采用了这种方法:扫描进化史来追踪CRISPR-Cas9的起源。

就像追踪家谱一样,它从了解自己开始。Cas9属于一个被称为“RNA引导核酸酶”的家族。基本上,这些蛋白质可以被RNA引导,并且它们具有切割遗传物质的能力。

回到2015年,研究提出了Cas9的一个进化根源。这很奇怪:一堆“跳跃基因”,或者说是可以在我们基因组中跳跃的基因成分。20世纪60年代首次被发现时,这些被称为转座子的跳跃者基本上被认为是垃圾DNA。但随后的研究发现,它们远比最初想象的更活跃,具有调节其他基因工作的能力,在某些情况下,它们自己编码神秘的蛋白质。

其中之一是IscB,一种可能进化成Cas9的古老蛋白质遗迹。

IscB因其在蛋白质结构和结构域方面与Cas9相似而备受团队关注。想象一种蛋白质作为游戏控制器。大部分的塑料骨架是用来支撑整个结构的,只有几个按钮真正发出命令。蛋白质与之类似,因为它包含与细胞其他成分对话的结构域或“按钮”。

这些结构域通常保存在一个蛋白质家族中。有了游戏控制器,你可以通过它的按钮和形状来判断它是用于Atari、Sega、Xbox还是Playstation。类似地,如果不同的蛋白质拥有相似的结构域,科学家可以判断它们是否来自同一个谱系。

研究小组使用计算机扫描IscB蛋白质中编码在基因组中的三个Cas9结构域。最终,在2800多个基因中,他们发现了31个似乎与CRISPR活性相关的独特基因位点。随后的实验发现,这些蛋白质可以在RNA引导下有效地剪断遗传物质。

作者写道:“对我们来说,这表明CRISPR-Cas祖先IscB共享一个易于进化成CRISPR样系统的核心基因。”。

一个全新的世界

如果CRISPR-Cas的祖先也有基因组剪断能力,那么它的其他家族分支会发生什么呢?

利用人工智能,该团队构建了一个蛋白质结构域的家族树。生成的树有多个类似Cas9的子元素,比如IsrB和TnpB(是的,我知道这很吸引人)。令人惊讶的是,这些蛋白质中的每一种似乎都是从一个独立的、独特的进化事件进化而来的。在RNA指南的构成中,每一个都有自己的“品味”。

但它们有用吗?研究小组在一种绿藻中发现了IsrB基因,这种绿藻能够在实验室中轻易地切割DNA。对6种类似的蛋白质进行筛选,每个蛋白质有12个指南,还发现了一种在培养的肾细胞中剪断人类基因组的蛋白质。

作者说,祖先筛查还发现了另一个类似蛋白质家族,TnpB,“被认为是Cas12的祖先”。与Cas9不同,Cas12可以愉快地切割单链DNA,例如,在感染期间检测病毒遗传物质。

研究小组将这些新的基因组剪子统称为“ω”,即专性移动元件引导的活动。这听起来像是复古的未来书呆子的话,但他们的想法是,这些移动的基因元素可以被引导改变基因组,它们走上了与Cas蛋白质不同的进化道路。

目前,我们还不能完全理解欧米茄系统在宿主体内的自然功能。我们确实知道它们的分布范围比科学家以前想象的要广得多。类Cas12蛋白家族TnpB在细菌基因组中有超过一百万个潜在位点。

与CRISPR-Cas9类似,它可能“代表了一笔未开发的财富”,但可能有其自身的复杂性和优势。我们还不知道这些新工具是否能与我们目前的技术水平相匹配克里斯普,或者如果他们带来了新的能力。但是,基因编辑的领域已经大大扩展了。毫无疑问,寻找下一个革命性工具的工作正在进行。

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