不止是“基因魔剪”，CRISPR／Cas9系統有另一種新功能

　　不止是“基因魔剪”，CRISPR/Cas9系統有另一種新功能

　　1987年，科學家在大腸桿菌中第一次發現，它們的基因組里天然存在一些特殊的序列。這些序列具有規律性的重復，后來被命名為“常間回文重復序列簇集”，也就是今天大名鼎鼎的CRISPR序列。

　　過了25年后，人們才認識到，細菌中廣泛存在的CRISPR序列具有特殊價值，可以被開發成為一種高效的基因編輯方法。基于CRISPR原理設計的序列，和Cas9（與CRISPR相關的蛋白，負責切割DNA）組成的系統，能在其他類型的細胞中充當“基因剪刀”，從DNA的特定位置切開口子。運用這把剪刀，人們可以精準地改變動物、植物和微生物的DNA。率先設計CRISPR-Cas9基因編輯系統的兩位科學家也在2020年不負眾望地獲得了諾貝爾化學獎。

　　長期以來，科學家們一直在努力探索CRISPR-Cas9機制的精確步驟，搞清楚它們在細菌中的活性如何受到調節，這將有助于科學家們繼續改造和優化CRISPR基因編輯系統，開發更安全的基因工程方法。

　　近日，約翰霍普金斯大學醫學院（Johns Hopkins Medicine）的研究人員，在一種常見細菌中，找到了CRISPR-Cas9系統工作原理的新線索，為開發新的Cas9工具帶來重要的指導意義。

　　“天然環境中，細菌用CRISPR-Cas9來切斷病毒DNA或有潛在威脅的有害DNA，”負責這項研究的Joshua Modell教授介紹，“CRISPR相當于細菌的免疫系統，而且是適應性免疫，它們可以通過抓取一小段DNA來記住遇到過的威脅，把這段DNA的‘快照’復制到向導RNA中，告訴Cas9該在哪里剪切DNA。”

　　和人類的免疫系統一樣，細菌的免疫系統也需要保持平衡：在識別和消除威脅時需要提高活性，同時要適時調低活性以便錯誤地攻擊細菌自己。

　　科學家們發現，CRISPR-Cas9系統中有一種RNA分子（tracrRNA），會導致該系統的活性急劇增加。這種tracrRNA分子像支架一樣，幫助Cas9攜帶向導RNA切斷特定的DNA序列。

　　不過，tracrRNA有長、短兩種形式，它們結構相似，也都可以與Cas9結合。科學家們發揮CRISPR-Cas9的“基因剪刀”功能時，用的是短鏈tracrRNA。而在這項研究中，科學家們揭示了長鏈tracrRNA過去不為人知的功能。

　　他們發現，長鏈tracrRNA包含了一個模擬向導RNA的片段，但不同于向導RNA靶向病毒DNA序列，長鏈tracrRNA傾向于靶向CRISPR-Cas9系統本身。而且，當它結合到特定位置時，并沒有讓Cas9剪切DNA，而是待在那里阻礙基因的表達。

　　有趣的是，當研究人員人為改變長鏈tracrRNA中某個區域的長度后，隨著長度的改變，Cas9可以恢復切割活性。

　　而在另一組實驗中，研究人員培養了具有大量長鏈tracrRNA的細菌，發現CRISPR相關基因的表達量非常低。從中除去長鏈tracrRNA后，CRISPR-Cas9基因的表達量增加了100倍。“我們開始意識到，長鏈tracrRNA其實是在抑制自身CRISPR相關的活性。”研究人員說。

　　他們把CRISPR-Cas9系統的這種新功能比作“調節亮度的開關”。為了查看長鏈tracrRNA是否也可以用于抑制細菌中的其他基因，研究小組做了一個實驗，通過改變長鏈tracrRNA的間隔區，使其結合在一種生產熒光蛋白的基因上。實驗結果顯示，細菌發出的熒光果然減少了。這說明，我們可以利用改造的長鏈tracrRNA抑制或減弱其他基因的表達。

　　此外，研究小組使用生物信息學分析，指出大約40%的鏈球菌屬細菌中，其CRISPR-Cas系統包含長鏈型tracrRNA，意味著這可能是細菌免疫系統廣泛使用的一種自動調節方式。

　　Modell教授認為，這種調節基因活動的“調光功能”為設計新型CRISPR-Cas9工具提供了機會，“在基因編輯時，除了剪切掉一個特定的基因外，還可以使用長鏈tracrRNA來抑制基因活性”。