Nature：回到过去，揭开CRISPR起源之谜，它曾是“自私基因”，之后进化为抗病毒防御系统

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

基因组工程可能是医学的未来，而它依赖于数十亿年前原核生物在进化过程中产生的防御系统——CRISPR。从事基因组工程研究人员总是向前看，希望通过修改、定向进化这些古老的系统，推动它们去执行更复杂的基因编辑。 或许，我们回到过去，看看细菌最初如何以及为何创造出原始的CRSIPR系统，同样有助于我们发现新的基因编辑工具。 2023年9月27日，哥伦比亚大学 Samuel Sternberg 团队在 Nature 期刊发表了题为：Transposon-encoded nucleases use guide RNAs to promote their selfish spread 的研究论文。 该研究把我们的目光带回过去，通过回看 CRISPR-Cas9的前身 ——跳跃基因（转座子），揭示CRISPR系统中的“DNA剪刀”是如何进化而来的。该研究证实了RNA引导的DNA核酸酶TnpB和IscB，在防止转座酶TnpA在转座过程中的永久性丢失至关重要。 这些发现揭示了RNA引导的DNA切割作为一种原始的生化活动出现，以促进转座子的自私遗传和传播，这后来在CRISPR-Cas适应性免疫的进化过程中被用于抗病毒防御。  

Samuel Sternberg （左），Jennifer Doudna（右） Samuel Sternberg 于2007年本科毕业于哥伦比亚大学，2014年博士毕业于加州大学伯克利分校，师从CRISPR基因编辑先驱 Jennifer Doudna 教授。此后他进行了一段博士后研究，还在基因编辑细胞疗法公司Caribou Biosciences工作了一年。Samuel Sternberg 在博士和博士后阶段的研究重点是CRISPR-Cas系统的的核酸靶向机制，以及这些系统在基因组工程应用中的开发。2018年他加入了哥伦比亚大学任助理教授，开始了自己的独立研究生涯。 CRISPR-Cas9来自跳跃基因 众所周知，CRISPR-Cas系统是存在于原核生物（细菌和古菌）中的一类古老的免疫系统，用于抵御防御外源遗传元件（例如噬菌体）入侵。通过对该系统的研究，科学家们开发出了一系列强大的基因编辑工具，例如大名鼎鼎的CRISPR-Cas9。 几年前，科学家们将CRISPR-Cas9的起源追溯到转座子（transposons），这是一种可移动遗传元件（MGE），也被称为“跳跃基因”（jumping genes），它能够通过一种被称为转座的神秘过程，从基因组的一个位置“跳跃”到另一个位置。 在转座子的链接下，科学家们很快将目光投向了潜在的新型基因编辑宝库——细菌基因组中成千上万个仍然活跃的古老的转座子，每个转座子都携带一种RNA引导的DNA核酸酶（DNA剪刀），这些酶有个能被用来开发新的可编程的新型基因编辑工具。实际上一些研究团队已经在这么做了。 IS200和IS605家族转座子经历由TnpA转座酶催化的“剥离-黏贴”转座，但它们也编码不同的TnpB和IscB家族蛋白，这些蛋白分别与Cas12和Cas9进化相关。2021年10月， 张锋 团队和Virginijus Siksnys团队各自发表论文证实， TnpB和IscB具有RNA引导的DNA核酸酶功能 。 但这里仍有一个重要问题尚未得到解答——这些转座子在它们自己的转座酶的帮助下在基因组中“跳跃”，这个过程不需要DNA剪刀，也不需要guide RNA。那么，为什么每个转座子仍然携带着RNA引导的DNA核酸酶（DNA剪刀）呢？ 没有DNA剪刀，转座子将会怎样？ 这是一个很难回答的问题。 在回答这个问题的过程中，研究团队要解决的第一个难题是找到具有许多活性转座子副本的合适细菌作为模型系统。实验室常用的大肠杆菌并不合适，他们最终选择了嗜热脂肪地芽孢杆菌（Geobacillus stearothermophilus），这是一种有着几十个活跃转座子的嗜热细菌。 研究团队从转座子的视角研究了这个问题，开发了一种强大的检测方法，捕捉到转座子在细菌基因组中移动、在质粒中跳进跳出、从一个细菌菌株跳到另一个菌株的过程。有了这些检测方法，他们深入研究了转座子的移动方式。他们发现 ， 转座子侧翼序列形成的供体接合处被RNA引导的TnpB和IscB核酸酶有效靶向切割，与单独表达TnpA的情况相比，TnpB和TnpA的共表达导致转座子保留量大大增加。值得注意的是，TnpA和TnpB也刺激了重组频率，超过了单独使用TnpB观察到的频率。 如果没有这些RNA引导的核酸酶（DNA剪刀），转座子仍然可以跳跃到新的位置，但容易迅速灭绝。因为细菌在不断试图使可移动遗传元素 （包括转座子） 失活。类似CRISPR的DNA剪刀在切断DNA并把副本放到适当的位置后，通过引导转座子的副本回到它跳出的位置来防止灭绝。  

通过这种“剪切和复制”策略，转座子可以以更快的速度增殖，超过了永久性损失的速度。因此，实际上，自然界最强大的基因组编辑器最初进化是为了将自己编辑进基因组，自私地促进自己的传播。  

如上图所示，DNA剪刀（蓝色的核酸酶）先切割DNA，以便转座子（蓝色DNA）的副本可以“粘贴”到该位点。 这些发现揭示了RNA引导的DNA切割作为一种原始的生化活动出现，以促进转座元件的自私遗传和传播，这后来在CRISPR-Cas适应性免疫的进化过程中被用于抗病毒防御。 寻找更多版本的CRISPR 因为CRISPR-Cas系统是从细菌/古菌的转座子进化而来的，很可能大自然已经从这些强大的转座子基因中创造了其他系统，而这些系统正在等待我们去发现。 Samuel Sternberg 表示， 很难相信进化会随着CRISPR-Cas的出现而停止发明分子剪刀，一定还有其他系统在发挥这种作用，如果找到它们，我们就可以借用这些基因，并将其用于设计人类细胞的基因组。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-06597-1