多亏了CRISPR如今,基因疗法和“设计婴儿”已成为现实。基因编辑瑞士军刀是过去十年最具影响力的生物医学发现之一。现在一项新的研究说明我们刚刚开始涉足CRISPR池塘。

CRISPR-Cas9来自底层。它最初被发现是细菌和酵母细胞中帮助对抗入侵病毒的一种自然机制。这让该技术的先驱之一张峰博士提出了这样一个问题:这个系统是从哪里进化而来的?CRISPR家族树中还有其他的分支可以用来进行基因编辑吗?

在上周发表的一篇论文中科学张的团队追溯了CRISPR的起源,揭开了潜在基因编辑工具的广阔宇宙。的“表亲”CRISPR在美国,这些新的蛋白质可以很容易地切断培养皿中的目标基因,就像它们著名的亲戚一样。

但与之前的CRISPR变种不同,这是一个全新的家族。它们被统称为OMEGA,其运作方式与CRISPR相似。然而,他们使用的是完全外来的“剪刀”蛋白质,以及以前科学家不熟悉的外来RNA向导。

完全出乎意料的是,这些可供选择的系统如此之多。一项大数据搜索发现了超过100万个可能的基因位点,这些位点仅编码这些表亲中的一个,其分布范围“远比之前猜测的要广”。作者说,这些新发现的蛋白质类“具有作为生物技术发展的强大潜力”。

换句话说,下一个基因编辑天才可能在另一种细菌或藻类体内默默等待,准备好被重新设计,为下一次基因革命剪短、编辑和改变我们自己的基因组。

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。利用基因载体(一种将基因传递到细胞中的特洛伊木马),科学家可以对基因编辑的两个组成部分进行编码。一种是引导RNA,它将系统导向目标基因。另一种是Cas9,它是破坏基因的“剪刀”。一旦基因被剪断,它就会痊愈。在这个过程中,可以插入新的遗传密码,删除旧的密码,或者以一种使后续基因失活的方式移动密码。

由于它相对简单,CRISPR不只是昙花一现,而是一飞冲天。随后的研究发现了针对略有不同的任务优化的变异。例如,有一些Cas9变种的脱靶活性非常低,或者更小,使它们更容易包装和运送到细胞中。其他包括碱基编辑器,它可以在不破坏DNA链的情况下交换DNA字母,或者RNA编辑器,它可以像Word处理器一样编辑RNA链。

蓬勃发展的CRISPR万神殿的部分原因是不同的Cas“剪刀”蛋白质。虽然有成千上万的变化,写了加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的卢卡斯·哈林顿(Lucas Harrington)博士曾与CRISPR的先驱詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)博士合作,“基因编辑实验主要集中在一小部分代表身上。”在对自然界中新的变异进行扫描后,研究小组发现了在高温下仍然保持活性的强大的新型Cas蛋白,以及可以潜入基因组的角落和缝隙的非常紧密的蛋白,否则会阻碍经典的Cas蛋白。Cas变异的力量说服科学家人工进化具有更优化特征的新蛋白质。

但是,如果更好的基因编辑工具的秘密不只是向前看呢?如果是偷窥过去呢?

CRISPR祖先

这项新的研究采用了这种方法:通过扫描进化历史来追溯CRISPR-Cas9的起源。

就像追溯任何家谱一样,从了解你自己开始。Cas9属于“rna引导核酸酶”家族。基本上,这些蛋白质可以被RNA引导,它们有能力切割遗传物质。

早在2015年,一项研究表明Cas9的一个进化根源。这很奇怪:一堆“跳跃基因”或遗传成分可以在我们的基因组中跳跃。当20世纪60年代首次发现这些被称为转座子的跳跃体时,它们在很大程度上被认为是垃圾DNA。但随后的研究发现,它们比最初认为的要活跃得多,有能力调节其他基因的工作,在某些情况下,它们自己编码神秘的蛋白质。

其中之一是IscB,一种古老的蛋白质遗迹,很可能进化成了Cas9。

IscB因其蛋白质结构和结构域与Cas9相似而使该团队的雷达更加出色。把蛋白质想象成游戏控制器。大部分的塑料主干是用来支持整个结构的——只有少数几个按钮实际上发出命令。蛋白质是类似的,因为它包含域,或“按钮”,与细胞的其他成分通信。

这些结构域通常保存在一个蛋白质家族中。对于游戏控制器,你基本上可以通过它的按钮和形状来判断它是用于雅达利、世嘉、Xbox还是Playstation。同样地,如果不同的蛋白质有相似的结构域,科学家就可以判断它们是否来自同一谱系。

该团队使用计算机扫描三个Cas9域,编码在基因组和IscB蛋白中。最终,在2800多个基因位点中,他们发现了31个似乎与CRISPR活动有关的独特基因位点。随后的实验发现,这些蛋白质可以在RNA引导下有效地剪切遗传物质。

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

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发生了什么?

利用人工智能,该团队构建了蛋白质结构域的家谱。生成的树有多个类似cas9的子树,比如IsrB和TnpB(是的,我知道很吸引人)。令人惊讶的是,每一种蛋白质似乎都是从一个独立的、独特的进化事件中进化而来的。在RNA引导的组成中,每一种都有自己的“味道”。

但它们真的有效吗?研究小组在一种绿藻中发现了IsrB基因,这种绿藻在实验室中可以很容易地切割DNA。对6种类似的蛋白质进行了筛选,每一种蛋白质都有12个引导基因,其中有一个在培养的肾细胞内切断了人类基因组。

祖先筛选还发现了另一个类似的蛋白质家族,TnpB,“被认为是Cas12的祖先,”作者说。与Cas9不同,Cas12可以愉快地切断单链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刀命名为“OMEGA”,或专有移动元素引导活动。这听起来像是回到未来的书呆子的说法,但这个想法是,这些移动的遗传元素,沿着与Cas蛋白质不同的进化路径,可以被引导来改变基因组。

目前,我们还不完全了解OMEGA系统在宿主体内的自然活动。我们知道它们的分布非常广泛,远远超出了科学家之前的想象。类似cas12的蛋白质家族TnpB在细菌基因组中有超过100万个潜在位点。

它可能代表着类似CRISPR-Cas9的工具“尚未开发的财富”,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达到我们目前的熟练程度CRISPR,或者他们是否能带来新的能力。但基因编辑的领域刚刚得到了极大的扩展。毫无疑问,寻找下一个革命性工具的行动正在进行。

图片来源:vrx/Shutterstock.com

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在英属哥伦比亚大学完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她前往加州大学旧金山分校研究血液因子,以恢复衰老的大脑活力。她是…

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