CRISPR Cas的历史-生存和进化的故事

所有的生物都有一个与生俱来的生存目标。在过去的一年里，科学家劫持了原核生物的生存策略，推出了一项轰动的生物技术，称为CRISPR(定期间隔回文重复群集)Cas (CRISPR相关基因)系统。这个流行的基因组工程工具提供了灵活性、多路复用性和易用性。为了让这项技术在生物技术领域的多样化需求中生存下来，让我们看看原核生物最初是如何利用CRISPR/Cas作为一种强大的、适应性的防御策略来对抗威胁生命的病毒的。

生存发展

尽管CRISPR序列最初是在大肠杆菌1987年(1）直到2007年，这些聚集重复序列作为对抗噬菌体的防护措施的概念才被发现。最初的实验暴露嗜热链球菌用捕食性噬菌体来测试外源DNA是否会被整合到细菌基因组中。编码聚合酶、核酸酶和解旋酶的Cas基因也被破坏，以阐明它们在这一过程中的作用。这些研究的结果使科学家们假设，原核生物发展了一种适应性免疫系统，它利用各种cas基因不仅可以存储记录入侵的噬菌体摧毁噬菌体再次暴露(2，3.）．更具体地说，特殊的Cas蛋白将外来DNA剪成大约30bp长的小片段，并将它们粘贴到CRISPR序列中。分离的Cas蛋白然后表达和处理CRISPR位点，生成RNA，引导Cas核酸酶到物种特异性原间隔邻近基序(PAM)旁边的特定外源性遗传物质。一旦CRISPR/Cas复合体与外来DNA结合，就会进行切割以摧毁入侵者。

维基百科，2013年11月25日访问。作者：詹姆斯·阿莫斯(2）.

许多CRISPR/Cas片段使用稍微不同的Cas蛋白和PAM序列来实现这些功能。共有8个进化保守的CRISPR亚型，由40多个cas基因家族组成。迄今为止，83%的古菌和45%的细菌基因组利用这一系统(4）.Makarova et al。使用基于进化相似性的多义分类将系统分为三种不同的类型和子类型(5)II型CRISPR/Cas是科学家为基因组工程利用的系统。CRISPR/Cas系统的多样性为抵御噬菌体入侵提供了强大的防线。

迎接挑战——噬菌体中抗CRISPR基因的进化

CRISPR/Cas适应性免疫系统似乎是确保原核生物生存的中奖彩票;然而，病毒也以其在宿主细胞内设计新的繁殖策略的能力而闻名。一些病毒粒子已经学会了通过在PAM序列中产生单点突变来绕过CRISPR/Cas防御，从而防止Cas核酸酶重新识别它(3.）．令人惊讶的是，几乎没有发现能中和CRISPR/Cas的基因。今年早些时候，5个抗CRISPR基因中的1个基因的表达被发现使I-F型CRISPR/Cas系统失活铜绿假单胞菌（6）. 然而，这些基因仅使I-F型系统失活，不能翻译到其他CRISPR亚型。尽管如此，原核物种之间和内部的CRISPR系统的大范围和动态范围表明存在多种未发现的病毒抗CRISPR基因。这些数据突出了噬菌体和原核生物之间有趣的“军备竞赛”；最终的胜利者将是拥有最强烈生存意志的物种。

基因组工程和未来方向

CRISPR/Cas启发的基因组编辑最初由Cong等人。和马里et al。于2013年1月(7，8）．9个月后，超过1500份出版物描述了在不同物种中改进工具的特异性、正交性和多路复用性的工作，并描述了各种各样的应用程序。尽管CRISPR/Cas工具箱已经无处不在，基因组工程师们仍在孜孜不倦地创造性地工作，为各种创新的生物和翻译技术提供一个高度特定的、可编程的平台。

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工具书类

1. Ishino Y, Hideo, S，牧野K, Mitsuko A, Nakata A。细菌志。1987年12月;169(12): 5429 - 33所示。

2. 照片：维基百科，2013年11月25日访问。作者：詹姆斯·阿莫斯。http://en.wikipedia.org/wiki/File:Crispr.png

3. Horvath P。科学类第315页，2007年1月；1709-1712（2007年）。

4. CRISPRdb．日期:2013-09-18。

5. Makarova K, Haft DH, Barrangou R, Brouns SJJ, Charpentier E, Horvath P, Moineu S, Mojica FJM, Wolf YI, Yakunin JvdO, Koonin EV。自然评论微生物学．2011年6月;9日,467 - 477。

6. Bondy Denomy J、Pawluk A、Maxwell KL、Davidson AR。大自然。2013年1月;493年,429 - 432。

7. 丛丽，冉发，Cox D，林森，Barretto R, Habib N, Hsu PD, Wu X, Jiang W, Marraffini LA, Zhang F。科学类2013年1月；339（6121）：819-23。

8. 杨玲，杨丽萍，艾思福，阿奇·J，盖尔·M，狄卡洛·杰，诺维尔·杰，丘奇。科学类．2013年1月;339(6121): 823 - 6。