Nature重磅！CRISPR先驱Doudna发现新的CRISPR-Cas系统

 微生物将CRISPR-Cas系统用于免疫，但是它的2型系统——通常利用核酸酶Cas9，已被改造用于基因组编辑。最近，研究人员通过对美国科罗拉多一个酸性矿山排水处和犹他州一处喷泉的土壤、地下水样品进行宏基因组分析，发现了另一种2型CRISPR-Cas程序，包括在古菌中发现的一种Cas9和在细菌中发现的两种小Cas酶。相关研究结果发表在12月22日的《Nature》杂志。

Rodolphe Barrangou在北卡罗来纳州立大学研究CRISPR，他没有参与这项研究，但是他评论说：“从宏基因组暗物质中掘金，真的是很酷的一件事情。因为大自然中有着超乎你想象的东西。”

虽然CRISPR最为人熟知的也许就是作为实验室工具，用于修补基因序列和功能，但它的起源是防御微生物入侵。科学家们将CRISPR发展成为来自实验室培养细菌的一种基因组编辑器，但是无数的微生物都是保持非培养的状态——就是说，不能分离并在培养基中生长。因此，寻找新形式的CRISPR的潜力是巨大的。

在过去的十年中，加州大学伯克利分校的Jillian Banfield及其同事们，一直都在从不同的地点采集微生物，提取它们的DNA，并重建它们的基因组。其结果是，他们获得了一个非培养微生物的terabase规模的基因组库，目前这项研究对该基因组库进行了挖掘，用以寻找CRISPR系统。Banfield告诉The Scientist杂志：“我们希望找到新的 CRISPR 系统，考虑到数据库的规模和多样性，我们认为有合理的机会。”

Banfield的团队从基因组中寻找接近于cas1的序列，它编码一个保守的CRISPR蛋白，接近于典型的序列重复。研究人员在从加利福尼亚铁山里士满矿提取的两个古菌基因组中，发现了Cas9序列。此前，已知古生菌使用1型CRISPR系统，而2型只在细菌中被鉴定过。

Banfield说：“我们真的不知道它是如何执行的，因为在实验室中一直没有实现过。古细菌有不同的生物学。我的合作者还没有显示出它的功能，这可能意味着，该系统有我们还不了解的的组成部分。”

该小组还从地下水和土壤细菌中发现了新型Cas蛋白，称为CasX和CasY。Banfield说：“他们真的很小，尤其是CasX。这意味着它可能更加有用。”

CasX是由仅仅980个氨基酸组成，而其他Cas酶更大。例如，来自金黄色葡萄球菌的常用Cas9含有1368个氨基酸，而来自金黄色葡萄球菌的较小Cas则是由1053个氨基酸组成（CasY约有1200个氨基酸）。以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek没有参与这项研究，但是他说：“从生物技术学上来说这是非常重要的，因为如果从基因组编辑的角度来看，小基因大基因更加容易被运送到细胞。”

通过与加州大学伯克利分校的CRISPR先驱Jennifer Doudna合作，Banfield的团队证实，CasX和CasY是功能性的。研究人员将CRISPR-CasX和CRISPR-CasY引入到大肠杆菌，发现它们可以阻止遗传物质进入细胞。

说到CasX，Barrangou这样认为：“它是否可以进行基因组编辑，还有待于进一步调查。”Banfield表示，Doudna的研究团队正在继续表征这些酶的功能。CasY来自一个大的、最近描述的微生物群组（称为Candidate Phyla Radiation）中的细菌。她补充说，这项最新的研究是“宏基因组学从微生物宇宙挖掘曾经遥不可及的的财富”的一个例子，但是现在我们可以自由地进行处理。“我认为，将来会出现一大堆的新蛋白和途径，以及拥有难以想象的生物技术和医疗价值的系统。”