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什么是CRISPR?

CRISPR 介绍

说到基因编辑技术,大家都会联想到CRISPR技术。那么什么是CRISPR?

CRISPR 的出现

CRISPR系统是一种原核生物的免疫系统,用来抵抗外源遗传物质的入侵,比如入侵的病毒及外源DNA。目前的研究发现,CRISPR系统是在大约40%的细菌和90%的古细菌中发现的一种天然免疫系统。它为细菌提供了获得性免疫,当细菌遭受病毒或者外源质粒入侵时,会产生相应的“记忆”,从而可以抵抗它们的再次入侵。CRISPR是英文Clusteredregularly interspaced short palindromic repeats 的缩写,翻译成中文是:规律成簇的间隔短回文重复。

额!有点拗口吧。当年美格君学习CRISPR的时候,也有点迷茫。今天,美格君就用一种大家比较容易理解的方言,来谈谈CRISPR。先简单说一说CRISPR的历史。

1987年,日本的Nakata研究组在分析大肠杆菌(Escherichia coli)中基因iap及临近序列时,偶然地发现在位于iap的3’端存在含有29个碱基的高度同源序列重复性出现,这些重复序列被含32个碱基的序列间隔开,当时还不清楚这种序列的生物学意义。2000年,Mojica和同事通过比对发现这种重复元件存在于20多种细菌及古生菌中,并将这种核酸序列命名为短规律性间隔重复序列(ShortRegularly Spaced Repeats, SRSRs),因其高度保守性,猜测其有某种重要的生物学功能。

2002年,Jansen实验室通过生物信息学分析,发现这种新型DNA序列家族只存在于细菌及古生菌中,而在真核生物及病毒中没有被发现,并将这种序列称为规律间隔成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)。他们将临近CRISPR locus的基因命名为cas(CRISPR-associated),并发现了4个cas基因(cas1, cas2, cas3, cas4)。CRISPR这个词正式登上历史舞台。


CRISPR功能原理


CRISPR的大名里面有几个关键词:回文、间隔。什么是回文?回文序列是一段序列,从前面读和从后面读都是一样的。间隔,就是说这些重复的DNA序列之间是有东西隔开的,这些间隔不是细菌自己的,是那些曾经感染过这些细菌的噬菌体留下来的东西, 叫Spacer,间隔DNA。

当这些噬菌体感染细菌,细菌跟它打了一仗,消灭了入侵的噬菌体,总结经验,细菌把这些噬菌体DNA的一部分截下来,放到自己的DNA里面留个记忆。随着消灭入侵者的经历增加,就有了这些CRISPR序列,用他们把不同的外源DNA分隔开。隔间Spacer之间的隔板相当于CRISPR序列。一旦有外物入侵,细菌就会去记忆库里寻找,要是发现入侵者的DNA和记忆库里面有匹配的,对应的解决方法就有了。CRISPR/Cas系统可以识别出外源DNA,并将它们切断,沉默外源基因的表达。


CRISPR的原理


当噬菌体感染细菌后,病毒DNA进入细菌细胞,细菌细胞表达Cas复合体对噬菌体DNA进行切割得到间隔序列,间隔序列在cas1 和cas2作用下插入到CRISPR最前端(如图1)形成免疫。当噬菌体再次感染细菌时,以Type II型CRISPR/Cas系统为例,细菌表达 tracrRNA、前体crRNA及Cas9蛋白(RNA引导的核酸内切酶),tracrRNA和crRNA由于部分序列互补而结合,Cas9与tracrRNA和crRNA形成复合体并由Cas9加工成为成熟crRNA-tracrRNA Cas9复合体,成熟复合体由间隔序列引导识别病毒靶序列,并切断病毒DNA。复合体只能识别与间隔序列一致并且3'端含PAM(protospacer adjacent motif原间隔序列邻近模块序列,如不同来源CRISPR/Cas9系统有不同序列,如链球菌CRISPR/Cas9系统PAM序列未NGG)的靶序列,即PAM原间隔序列邻近模块序列,这是CRISPR/Cas9不剪切自身间隔序列的原因。

什么是CRISPR?what is crispr?


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