Cell：诺奖得主新作！在大量病毒中发现微型 CRISPR 系统，可高效编辑人类和植物基因组

背景介绍

2020 年，科学家 Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer A. Doudna 因开发了用于基因组编辑的 CRISPR 技术而摘得诺贝尔化学奖的桂冠。目前，基于 CRISPR-Cas9 基因编辑的多项临床实验也已启动并获得突破性结果，为许多遗传疾病的治疗开辟了新的途径。

CRISPR/Cas 系统，是一种存在于原核生物中的获得性免疫系统，以消灭外来的质体或者噬菌体的入侵。CRISPR/Cas 系统为大多数的细菌和古生菌提供了适应性免疫，同时其准确识别和切割特定 DNA 和 RNA 序列的能力也为植物、动物和微生物基因组编辑提供了强大的工具。

在最新发表的 Cell 论文中，诺奖得主 Jennifer A. Doudna 的团队发现在噬菌体病毒中也编码着丰富多样的微型 CRISPR-Cas 系统。其中一些 CRISPR-Cas 系统可以用于编辑哺乳动物和植物的基因组，并具有结构紧凑和编辑效率高的特点，是极富潜力的未被开发的小型基因编辑工具。

2022 年 11 月 23 日，该研究以题为 Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors 发表于国际顶尖期刊 Cell。

来源：Cell

研究结果

之前认为 CRISPR-Cas 系统在噬菌体基因组中很少发生。本研究中通过分析来自环境和动物相关微生物群的大规模基因组样本，发现了超过 6000 个具有 CRISPR-Cas 系统的噬菌体。

噬菌体编码的 CRISPR-Cas 系统包括所有六种已知类型，且具有噬菌体特异性，包括缺失序列整合或靶向机制，减少脱靶的改良 III 型和 VI 型系统，以及靶向可移动遗传元件的间隔子。

噬菌体和噬菌体样基因组上 CRISPR-Cas 系统的多样性。来源：Cell

鉴定的数千个噬菌体编码的 CRISPR-Cas 基因座中只有 27 个靶向 RNA 并可以被归类为先前描述 RNA 靶向系统的新同系物。绝大多数噬菌体编码的 CRISPR 系统以 DNA 为靶标。噬菌体编码的 CRISPR 系统至少有两个方面明显不同于细胞系统，突出了噬菌体途径的多功能性以及介导功能快速进化的潜力：

（1）噬菌体 RNA 靶向 III 型和 VI 型系统（识别竞争噬菌体的转录物），III 型系统保留切割 ssDNA 并能够切割靶 DNA 所需的催化残基。

（2）在一些噬菌体 I 型系统中不存在 Cas3 核酸酶，但可能招募 IV 型系统中的效应子。

噬菌体基因组是一个微型 CRISPR-Cas 系统的天然储库，包括属于 Cas9 和 Cas12 超家族的 DNA 靶向 II 型和 V 型酶。与原核基因组中占主导的多亚基 I 型和 III 型 CRISPR 系统不同，噬菌体中显著富集微型 Cas12 家族酶。由于噬菌体进化迅速，它们也是新的、超紧凑的 CRISPR-Cas 系统的重要来源。

Casλ 处理 crRNA 并切割 dsDNA。来源：Cell

在该研究中，他们特别关注了一种称为 Casλ 的小型 Cas 酶，并发现 Casλ 酶能够诱导人类、拟南芥和六倍体小麦细胞的基因组编辑。

研究人员比较了使用 Casλ 和 Cas12a 核糖核蛋白诱导人和植物细胞内源基因的基因组编辑插入和缺失的效率。尽管尺寸微小，Casλ RNPs 在人类基因组中的编辑效率依然是高效的，有一例甚至超过了 Cas12a 插入缺失效率。在拟南芥中，Casλ 在内源性 PDS3 基因上表现出高达 18% 的编辑效率，显著高于 CasΦ 的效率，且编辑的效率高度依赖于温度，在 23℃ 没有发生编辑，在 32℃ 发生最高水平的编辑。此外，Casλ 还能够编辑六倍体小麦（比人类基因组大 5 倍的基因组）原生质体中的内源性抗病基因 Snn5。

Casλ RNPs 编辑人类，拟南芥和小麦细胞的内源基因。来源：Cell

通过低温电子显微镜测定，研究人员发现 Casλ-crRNA-dsDNA 复合物呈现出一个紧凑的双叶结构，类似于 Cas9 和 Cas12 酶，这说明 RNA 引导效应物存在趋同演化。Casλ 的结构域表现出比其他 Cas12 家族酶更多的片段和结构重排：Casλ 的 RuvC 结构域在蛋白质的 C 端半部分被分成四部分，REC I 和 REC II 结构域也在蛋白质序列中被分割，PAM 相互作用结构域楔入 REC I 中。

Casλ-gRNA-DNA 复合物的结构。来源：Cell

总结

该研究通过宏基因组学发现在不同的噬菌体病毒中也存在多种 CRISPR-Cas 系统，并属于六种已知的 CRISPR-Cas 类型。在新发现的酶中，Casλ 酶使用一种结构独特的 crRNA 识别双链 DNA，并可以编辑人类、拟南芥和六倍体小麦细胞的基因组。

Jennifer A. Doudna 表示：「尽管研究人员已经发现了自然界中其他的小型 Cas 酶，但迄今为止，其中许多酶在基因组编辑应用中相对低效。相比之下，一些病毒 Casλ 酶结合了小体积和高效率。」

这些发现意味着噬菌体是发现新型基因编辑工具的重要来源，这些噬菌体来源的 CRISPR-Cas 酶结构紧凑且编辑效率高，具有作为植物和人类细胞基因组编辑器的潜在价值。

来源：Cell

研究人员认为，噬菌体可能通过利用 CRISPR-Cas 系统彼此竞争，操纵宿主的基因活性，使之对自己有利。不过，Casλ 的具体机制仍有待确立，且噬菌体编码和宿主编码的 CRISPR 系统之间潜在的相互作用还没有被探索。未来的研究将进一步确定噬菌体编码 CRISPR 系统的功能，并推广 Casλ 作为人类和其他生物细胞基因组编辑工具的应用。