Cell:諾獎得主新作!在大量病毒中發現微型 CRISPR 系統,可高效編輯人類和植物基因組

背景介紹

背景介紹

2020 年,科學家Emmanuelle CharpentierJennifer A. Doudna因開發了用於基因組編輯的 CRISPR 技術而摘得諾貝爾化學獎的桂冠。目前,基於 CRISPR-Cas9 基因編輯的多項臨床實驗也已啟動並獲得突破性結果,為許多遺傳疾病的治療開闢了新的途徑。

CRISPR/Cas 系統,是一種存在於原核生物中的獲得性免疫系統,以消滅外來的質體或者噬菌體的入侵。CRISPR/Cas 系統為大多數的細菌和古生菌提供了適應性免疫,同時其準確識別和切割特定 DNA 和 RNA 序列的能力也為植物、動物和微生物基因組編輯提供了強大的工具。

在最新發表的Cell論文中,諾獎得主Jennifer A. Doudna的團隊發現在噬菌體病毒中也編碼著豐富多樣的微型 CRISPR-Cas 系統。其中一些 CRISPR-Cas 系統可以用於編輯哺乳動物和植物的基因組,並具有結構緊湊和編輯效率高的特點,是極富潛力的未被開發的小型基因編輯工具

2022 年 11 月 23 日,該研究以題為Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors發表於國際頂尖期刊Cell

來源

來源:Cell

研究結果

之前認為 CRISPR-Cas 系統在噬菌體基因組中很少發生。本研究中通過分析來自環境和動物相關微生物群的大規模基因組樣本,發現了超過 6000 個具有 CRISPR-Cas 系統的噬菌體

噬菌體編碼的 CRISPR-Cas 系統包括所有六種已知類型,且具有噬菌體特異性,包括缺失序列整合或靶向機制,減少脫靶的改良 III 型和 VI 型系統,以及靶向可移動遺傳元件的間隔子。

噬菌體和噬菌體樣基因組上 CRISPR-Cas 系統的多樣性。來源:Cell

鑑定的數千個噬菌體編碼的 CRISPR-Cas 基因座中只有 27 個靶向 RNA 並可以被歸類為先前描述 RNA 靶向系統的新同系物。絕大多數噬菌體編碼的 CRISPR 系統以 DNA 為靶標。噬菌體編碼的 CRISPR 系統至少有兩個方面明顯不同於細胞系統,突出了噬菌體途徑的多功能性以及介導功能快速進化的潛力:

(1)噬菌體 RNA 靶向 III 型和 VI 型系統(識別競爭噬菌體的轉錄物),III 型系統保留切割 ssDNA 並能夠切割靶 DNA 所需的催化殘基。

(2)在一些噬菌體 I 型系統中不存在 Cas3 核酸酶,但可能招募 IV 型系統中的效應子。

噬菌體基因組是一個微型 CRISPR-Cas 系統的天然儲庫,包括屬於 Cas9 和 Cas12 超家族的 DNA 靶向 II 型和 V 型酶。與原核基因組中佔主導的多亞基 I 型和 III 型 CRISPR 系統不同,噬菌體中顯著富集微型 Cas12 家族酶。由於噬菌體進化迅速,它們也是新的、超緊湊的 CRISPR-Cas 系統的重要來源

Casλ 處理 crRNA 並切割 dsDNA。來源:Cell

在該研究中,他們特別關注了一種稱為 Casλ 的小型 Cas 酶,並發現Casλ 酶能夠誘導人類、擬南芥和六倍體小麥細胞的基因組編輯

研究人員比較了使用 Casλ 和 Cas12a 核糖核蛋白誘導人和植物細胞內源基因的基因組編輯插入和缺失的效率。儘管尺寸微小,Casλ RNPs 在人類基因組中的編輯效率依然是高效的,有一例甚至超過了 Cas12a 插入缺失效率。在擬南芥中,Casλ 在內源性 PDS3 基因上表現出高達 18% 的編輯效率,顯著高於 CasΦ 的效率,且編輯的效率高度依賴於溫度,在 23℃ 沒有發生編輯,在 32℃ 發生最高水平的編輯。此外,Casλ 還能夠編輯六倍體小麥(比人類基因組大 5 倍的基因組)原生質體中的內源性抗病基因 Snn5

Casλ RNPs 編輯人類,擬南芥和小麥細胞的內源基因。來源:Cell

通過低溫電子顯微鏡測定,研究人員發現Casλ-crRNA-dsDNA 複合物呈現出一個緊湊的雙葉結構,類似於 Cas9 和 Cas12 酶,這說明 RNA 引導效應物存在趨同演化。Casλ 的結構域表現出比其他 Cas12 家族酶更多的片段和結構重排:Casλ 的 RuvC 結構域在蛋白質的 C 端半部分被分成四部分,REC I 和 REC II 結構域也在蛋白質序列中被分割,PAM 相互作用結構域楔入 REC I 中。

Casλ-gRNA-DNA 複合物的結構。來源:Cell

總結

該研究通過宏基因組學發現在不同的噬菌體病毒中也存在多種 CRISPR-Cas 系統,並屬於六種已知的 CRISPR-Cas 類型。在新發現的酶中,Casλ 酶使用一種結構獨特的 crRNA 識別雙鏈 DNA,並可以編輯人類、擬南芥和六倍體小麥細胞的基因組

Jennifer A. Doudna表示:「儘管研究人員已經發現了自然界中其他的小型 Cas 酶,但迄今為止,其中許多酶在基因組編輯應用中相對低效。相比之下,一些病毒 Casλ 酶結合了小體積和高效率。」

這些發現意味著噬菌體是發現新型基因編輯工具的重要來源,這些噬菌體來源的 CRISPR-Cas 酶結構緊湊且編輯效率高,具有作為植物和人類細胞基因組編輯器的潛在價值。

來源

來源:Cell

研究人員認為,噬菌體可能通過利用 CRISPR-Cas 系統彼此競爭,操縱宿主的基因活性,使之對自己有利。不過,Casλ 的具體機制仍有待確立,且噬菌體編碼和宿主編碼的 CRISPR 系統之間潛在的相互作用還沒有被探索。未來的研究將進一步確定噬菌體編碼 CRISPR 系統的功能,並推廣 Casλ 作為人類和其他生物細胞基因組編輯工具的應用。

題圖來源:站酷海洛

參考文獻:

Al-Shayeb, B., et al., Diverse virus-encoded CRISPR-Cas systems include streamlined genome editors. Cell, 2022. 185(24): p. 4574-4586.e16. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)01366-6

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