代表通用dCas9系統（頂部）和Cascade系統（底部）的組件的插圖：Gersbach Lab

2類CRISPR–Cas系統，例如Cas9和Cas12，已被廣泛用于靶向真核基因組中的DNA序列。但是，代表自然界中所有CRISPR系統90％的1類CRISPR-Cas系統在基因組工程應用中仍未開發。杜克大學(Duke University)的生物醫學工程師利用此前未被探索的CRISPR技術，精確地調控和編輯人類細胞中的基因組。通過這種新方法，研究人員希望能極大地擴展基于CRISPR的生物醫學工程師可用工具，為基因組工程技術開辟一個新的、多樣化的前沿。

該項研究發表在9月23日的《Nature Biotechnology》雜志上。杜克大學魯尼家族生物醫學工程副教授Charles Gersbach和格斯巴赫實驗室的博士后研究員Adrian Oliver是該項研究的領導者。

https://doi.org/10.1038/s41587-019-0235-7

CRISPR-Cas是一種防御系統，其中細菌利用RNA分子和CRISPR相關（Cas）蛋白靶向并破壞入侵病毒的DNA。這一現象的發現和分子機制的重新定位引發了一場基因組編輯革命，因為研究人員學會了如何利用這一工具專門針對和編輯人類細胞中的DNA。

CRISPR-Cas9是當今最常用的基因組編輯工具，并被歸類為2類CRISPR系統。2類系統在細菌世界中不太常見，但從理論上講它們更易于操作，因為它們僅依賴一種Cas蛋白來靶向和切割DNA。

而1類系統也沒那么簡單，它依靠多種蛋白質在一個稱為Cascade（抗病毒防御的CRISPR關聯復合物）的復合物中共同作用來靶向DNA。結合后，Cascade聚集可切割DNA的Cas3蛋白。

Gersbach教授說：“從世界上所有細菌的單個CRISPR系統觀察來看，將近90％是1類系統。CRISPR-Cas是生物技術工具一個不可思議的來源，然而直到現在，人們還是只關注到其中的一小部分。”

為了證明1類系統的功能，Oliver博士將基因激活劑連接到了I型大腸桿菌級聯復合體的特定位點，并將該系統靶向結合調節基因表達水平的基因啟動子。因為她的實驗中沒有添加Cas3蛋白，所以沒有切割DNA，也沒有改變基礎的DNA序列。實驗表明，Cascade激活劑不僅可以結合到正確的位點上，提高靶基因的水平，而且其準確性和特異性可與CRISPR / Cas9相媲美。

Oliver使用來自另一種細菌菌株的I類級聯復合物重復了該過程，該菌株在各靶點作用強大。另外她還表明，可以將激活域替換為阻遏物，從而關閉靶基因。研究人員再次指出，該方法的準確性和特異性可與CRISPR / Cas9方法媲美。

Oliver說：“我們發現Cascade的結構非常模塊化，可以在多個位置連接激活物或阻遏物，這是改變人類細胞基因表達的重要工具。Cascade的靈活性將使它成為有前途的基因組工程技術。”

北卡羅來納州立大學(North Carolina State University)益生菌研究領域的著名教授Barrangou對此項研究給予高度評價：這項工作及其所產生的技術是北卡羅萊納州研究三角的跨學科和跨大學的協作高度創新性和生產力的絕佳示例。

目前，該團隊對他們的研究以及該領域其他研究人員的研究感到樂觀，此舉也將激發科研人員對1類CRISPR系統的新研究。Gersbach說：“該項目的目的是探索CRISPR系統的多樣性。在過去的十年中，已經有成千上萬篇關于CRISPR-Cas9的論文，但是我們一直在不斷學習有關它的新知識。通過這項研究，我們將這種思維方式應用到了其中的另外90％。”

到目前為止，該團隊已經證明，這些1類系統在準確性和應用方面可與CRISPR-Cas9媲美。對于未來的研究方向，他們將進一步探索這些系統與2類同類系統之間的差異，以及這些差異如何對生物技術有效應用。

該團隊還對研究1類系統如何應對CRISPR-Cas研究的一般挑戰感興趣，特別是那些使潛在治療應用復雜化的問題，例如對Cas蛋白的免疫反應以及同時使用多種類型的CRISPR實現不同基因組工程功能的問題。Gersbach說：“我們知道CRISPR可能對人類健康產生重大影響。但是我們仍處于了解如何使用CRISPR，它可以做什么以及我們可以使用哪些系統的開始階段。我們希望這個新工具將為基因組工程的新領域提供支持。”

參考資料：

[1] New CRISPR class expands genetic engineering toolbox

[2] Targeted transcriptional modulation with type I CRISPR–Cas systems in human cells