研究人员发现一小 handful 新的 CRISPR-Cas 系统，这些系统可能会增强已经变革性的基因编辑和 DNA 操作工具箱的能力。在这些新加入的系统中，来自常见于奶牛的细菌的一个系统显示出对人类健康特别的前景。
杜克大学和北卡罗来纳州立大学的研究人员发现一小 handful 新的 CRISPR-Cas 系统，这些系统可能会增强已经变革性的基因编辑和 DNA 操作工具箱的能力。
在这些新加入的系统中，来自常见于奶牛的细菌的一个系统显示出对人类健康特别的前景。它的效率与原始和最广泛使用的 CRISPR-Cas 系统相当，但其小尺寸使得它更容易被装载以传递到人类细胞。它还可以针对其他系统无法定位的特定基因序列，并且人类免疫系统不太可能已经接触过它。
研究结果于 3 月 14 日在线发表在 美国国家科学院院刊（PNAS）上。
CRISPR-Cas9 于 2012 年在更广泛的科学界首次亮相，当时一组由詹妮弗·杜德纳领导的团队展示了它可以被修改以定位和切割特定的 DNA 片段。系统中的 CRISPR 部分充当一种基因定位装置，而 Cas9 部分像手术刀一样在 CRISPR 指定的地方进行切割。该工作——以及大多数后续使用 CRISPR 的研究——是建立在细菌种类 链球菌 的一种病毒防御机制之上的。但其他细菌种类也具有类似的防御系统，具有广泛的潜在能力和限制。
“实际上，第一个研究人员用于人类细胞的 CRISPR-Cas 系统至今仍是效果最好的一个，这非常令人惊讶，”杜克大学生物医学工程约翰· W · 斯特罗贝恩杰出教授查理·格尔斯巴赫说。“我们希望在更冷门环境中的细菌中寻找可能拥有不同能力的不同 CRISPR 系统。”
为此，格尔斯巴赫和他的团队转向世界上第一位也是最重要的 CRISPR 专家之一，他的实验室距离他们仅 25 英里。早在该技术获诺贝尔奖的论文发表七年前，北卡罗来纳州立大学的罗多尔夫·巴朗古将 CRISPR 描述为一种用于乳制品发酵文化中的细菌防御系统。从那时起，他的实验室专注于探索 CRISPR 生物学的多样性，申请范围从食品制造和益生菌到通过编辑树木基因组改变木材特性。
“自然界中 CRISPR-Cas 系统的多样性远比人们所理解的要多，这为挖掘功能潜力作为分子机器的多样效应体提供了非常有用的机会，”北卡罗来纳州立大学食品、生物加工与营养科学托德·R·克莱汉默杰出教授巴朗古说。“虽然一些现有的效应体，如 Cas9，已经在临床中显示出巨大的潜力，但我们需要扩大 CRISPR 工具箱，以便进行下一代基因组、转录组和表观基因组的操作。”
巴朗古开发了计算过程，以识别大型细菌基因组数据库中的 CRISPR-Cas 系统。该程序被称为“CRISPRdisco”，识别了超过 1000 种不同的未探索 CRISPR 系统，研究人员将其缩减至 50 个候选系统，供格尔斯巴赫的实验室生成和进一步工程化。
这些 CRISPR 系统随后在人体细胞中测试其作为基因抑制子和激活子以及基因和表观编辑器的能力。虽然四个系统在各自的成功中脱颖而出，但有一个因其多功能性而特别值得注意。被称为 SubCas9 的这个有前途的 CRISPR 成分是在 链球菌 uberis 中发现的，这是一种常见于奶牛的细菌，且在一些人类益生菌产品中也被使用。
研究人员对 SubCas9 感到兴奋有几个原因。它比传统使用的 Cas9 DNA 分子手术刀要小，这意味着可以更轻松地装入能够有效转移货物到人类组织的输送系统。它还可以目标不同于其原始对应物的不同基因序列。虽然最常用的 Cas9 在与 DNA 序列“GG”相邻的基因组目标上工作，但这个新系统在邻近“AATA”或“AGTA”模式的位点上工作。
“GG 是一个相当常见的 DNA 序列，但如果你真的需要瞄准一个特定的 DNA 碱基对，并且附近没有一个 GG，那你就需要一个替代选项，”格尔斯巴赫实验室的博士后研究员盖布·巴特菲尔德说。他与杜克大学生物医学工程博士生达莉亚·罗姆共同主导了这项工作。“该系统可以给研究人员灵活性，当他们需要非常精确地选择目标位点时，可以使用不同的 Cas9。”
最后但同样重要的是，S. uberis 在人体中并不常见，这与从中分离出更常见的 Cas9 蛋白的细菌物种形成对比。这意味着大多数人的免疫系统在用于治疗应用时无法通过先前的自然接触识别 SubCas9。
展望未来，研究人员正在努力观察 SubCas9 是否如他们所预期的那样可以逃避预先存在的免疫，并测试将其纳入多种细胞和基因疗法的可能性。他们也可能会重新回到现有的庞大细菌宏基因组数据库，以寻找更多待研究的 CRISPR 系统。
“除了潜在的治疗应用外，我们还认识到，适应不同栖息地的细菌拥有更适合各种宿主的效应体，具有发现更适合植物、家畜和环境应用的系统的巨大潜力，”巴朗古说。
“我们已经合作了好几年，这是一种非常富有成效的结合，杜克的生物医学能力与北卡罗来纳州立大学的农业和微生物学专业知识得到了很好的融合，”格尔斯巴赫说。“过去十年我们所有的工作都得益于国家卫生研究院的投资，以扩展科学的基因组和表观基因组编辑工具箱。”
这项工作得到了国家卫生研究院（U01AI146356，UM1HG012053，R01MH125236，RM1HG011123）、国家科学基金会（EFMA-1830957）、国防高级研究计划局（HR0011-19-2-0008）、保罗·G·艾伦前沿小组和开放慈善项目的支持。
