微生物將CRISPR-Cas系統(tǒng)用于免疫，但是它的2型系統(tǒng)——通常利用核酸酶Cas9，已被改造用于基因組編輯。最近，研究人員通過對美國科羅拉多一個酸性礦山排水處和猶他州一處噴泉的土壤、地下水樣品進行宏基因組分析，發(fā)現(xiàn)了另一種2型CRISPR-Cas程序，包括在古菌中發(fā)現(xiàn)的一種Cas9和在細菌中發(fā)現(xiàn)的兩種小Cas酶。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在12月22日的《Nature》雜志。

Rodolphe Barrangou在北卡羅來納州立大學研究CRISPR，他沒有參與這項研究，但是他評論說：“從宏基因組暗物質(zhì)中掘金，真的是很酷的一件事情。因為大自然中有著超乎你想象的東西。”

雖然CRISPR最為人熟知的也許就是作為實驗室工具，用于修補基因序列和功能，但它的起源是防御微生物入侵?？茖W家們將CRISPR發(fā)展成為來自實驗室培養(yǎng)細菌的一種基因組編輯器，但是無數(shù)的微生物都是保持非培養(yǎng)的狀態(tài)——就是說，不能分離并在培養(yǎng)基中生長。因此，尋找新形式的CRISPR的潛力是巨大的。

在過去的十年中，加州大學伯克利分校的Jillian Banfield及其同事們，一直都在從不同的地點采集微生物，提取它們的DNA，并重建它們的基因組。其結(jié)果是，他們獲得了一個非培養(yǎng)微生物的terabase規(guī)模的基因組庫，目前這項研究對該基因組庫進行了挖掘，用以尋找CRISPR系統(tǒng)。Banfield告訴The Scientist雜志：“我們希望找到新的 CRISPR 系統(tǒng)，考慮到數(shù)據(jù)庫的規(guī)模和多樣性，我們認為有合理的機會。”

Banfield的團隊從基因組中尋找接近于cas1的序列，它編碼一個保守的CRISPR蛋白，接近于典型的序列重復。研究人員在從加利福尼亞鐵山里士滿礦提取的兩個古菌基因組中，發(fā)現(xiàn)了Cas9序列。此前，已知古生菌使用1型CRISPR系統(tǒng)，而2型只在細菌中被鑒定過。

Banfield說：“我們真的不知道它是如何執(zhí)行的，因為在實驗室中一直沒有實現(xiàn)過。古細菌有不同的生物學。我的合作者還沒有顯示出它的功能，這可能意味著，該系統(tǒng)有我們還不了解的的組成部分。”

該小組還從地下水和土壤細菌中發(fā)現(xiàn)了新型Cas蛋白，稱為CasX和CasY。Banfield說：“他們真的很小，尤其是CasX。這意味著它可能更加有用。”

CasX是由僅僅980個氨基酸組成，而其他Cas酶更大。例如，來自金黃色葡萄球菌的常用Cas9含有1368個氨基酸，而來自金黃色葡萄球菌的較小Cas則是由1053個氨基酸組成（CasY約有1200個氨基酸）。以色列魏茨曼科學研究所的Rotem Sorek沒有參與這項研究，但是他說：“從生物技術(shù)學上來說這是非常重要的，因為如果從基因組編輯的角度來看，小基因大基因更加容易被運送到細胞。”

通過與加州大學伯克利分校的CRISPR先驅(qū)Jennifer Doudna合作，Banfield的團隊證實，CasX和CasY是功能性的。研究人員將CRISPR-CasX和CRISPR-CasY引入到大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)它們可以阻止遺傳物質(zhì)進入細胞。

說到CasX，Barrangou這樣認為：“它是否可以進行基因組編輯，還有待于進一步調(diào)查。”Banfield表示，Doudna的研究團隊正在繼續(xù)表征這些酶的功能。CasY來自一個大的、最近描述的微生物群組（稱為Candidate Phyla Radiation）中的細菌。她補充說，這項最新的研究是“宏基因組學從微生物宇宙挖掘曾經(jīng)遙不可及的的財富”的一個例子，但是現(xiàn)在我們可以自由地進行處理。“我認為，將來會出現(xiàn)一大堆的新蛋白和途徑，以及擁有難以想象的生物技術(shù)和醫(yī)療價值的系統(tǒng)。”