一種強大的基因組編輯工具有可能很快會變得更為強大。來自勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員解開了細菌能夠從病毒和其他外源入侵物處“偷取”遺傳信息，供自身免疫記憶系統(tǒng)使用的關(guān)鍵。研究結(jié)果發(fā)表在2月18日的《自然》（Nature）雜志上。

論文通訊作者、伯克利實驗室物理生物科學(xué)學(xué)部生物化學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校分子與細胞生物學(xué)系和化學(xué)系的Jennifer Doudna說：“我們證實細菌只需兩個蛋白來推動這一過程：Cas1和Cas2。我們的研究結(jié)果為將所需的遺傳信息導(dǎo)入到人類細胞中或是糾正現(xiàn)有基因組中的問題提供了一種替代方法。”

細菌面對著來自病毒以及入侵核酸鏈質(zhì)粒的不斷攻擊。為了在這樣的攻擊下生存下來，細菌和古細菌采用了多種防御機制，包括一種以稱作為規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)(Clustered regularly interspaced short palindromic repeat,CRISPR)的DNA元件為中心的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。CRISPR DNA元件是由一些長度為30-60個核苷酸的“重復(fù)序列”組件構(gòu)成，這些重復(fù)序列被長度變化為30-60個核苷酸的“間隔序列”（spacer）組件所間隔。

通過組合CRISPR和一些CRISPR相關(guān)“Cas”蛋白，細菌能夠利用一些小的自定義RNA分子來沉默外源入侵物遺傳信息的關(guān)鍵部分，通過“記住”先前遭受到的感染獲得對未來相似入侵的免疫?，F(xiàn)在Doudna和她的研究小組已率先解開了細菌基于CRISPR的免疫記憶背后的秘密。

論文的主要作者、Doudna加州大學(xué)伯克利分校研究小組成員James Nuñez說：“我們了解到細菌從外源入侵物處獲得一些關(guān)鍵的遺傳信息片段，將這一信息作為新的間隔序列插入到了它們自身基因組的CRISPR位點中。這些外源的間隔序列從根本上說發(fā)揮了記憶庫的功能。”

但直到現(xiàn)在，人們都還不清楚細菌是如何從外源入侵物的基因組中偷取間隔序列，并將它們轉(zhuǎn)遞至宿主細菌的CRISPR位點的。采用大腸桿菌開展研究，并在體外高通量測序插入的間隔序列，Doudna、Nuñez和同事們發(fā)現(xiàn)記憶蛋白Cas1和Cas2識別了CRISPR位點中的重復(fù)序列，并使這些位點成為了間隔序列插入的靶標。

Nuñez說：“宿主細菌CRISPR位點中的重復(fù)序列形成了一些DNA十字形結(jié)構(gòu)，將Cas1和Cas2招募到這一位點實現(xiàn)間隔序列插入。這些十字形結(jié)構(gòu)告訴了Cas1和Cas2將來自外源侵入物（病毒或質(zhì)粒）的間隔序列精確地放置到何處。在這一過程完成后，宿主細菌對未來來自同類病毒或質(zhì)粒的感染便產(chǎn)生了免疫。”

Doudna和她的研究小組認為，在未來或許可以利用攜帶所需信息如特異蛋白編碼的DNA序列來編程Cas1和Cas2,利用另外的Cas1和Cas2蛋白將這一DNA插入到人類細胞基因組的適當位點中。

Nuñez說：“結(jié)果表明，細菌和古細菌已在數(shù)百萬年里它們的免疫過程中利用了Cas1和Cas2蛋白。我們接下來的任務(wù)是要闡明這一過程背后的規(guī)則以及如何將它們應(yīng)用于人類細胞。”