2007年,来自丹尼斯克公司(一家总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司,目前被杜邦公司收购)的科学家找到了一种能增强细菌防御噬菌体能力的方法。之后2013年,四个研究团队报告了这一被称为CRISPR的系统,自此CRISPR技术红红火火的发展了起来,许多科研团队利用它来删除、添加、激活或抑制人体、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞中的目标基因。
近期来自蒙大拿州立大学的两位学者以“CRISPR-RNA-Guided Adaptive Immune Systems”为题,介绍了CRISPR-Cas免疫应答系统。其中Blake Wiedenheft就是当年加州大学伯克利分校Jennifer Doudna研究组成员,他们曾于2010年破解了Csy4核糖核酸内切酶原子水平的晶体结构模型——研究人员确定Csy4是一种存在于原核细胞的酶,它能够启动生成CRISPR衍生RNAs (crRNAs),这种小RNA分子能够靶向并沉默侵入的病毒和质粒。
细菌和古细菌进化出了复杂的CRISPR适应性免疫系统,这一系统可以分成I-III三个类型,至少有11种不同的亚型:从I-A到I-F,从II-A到II-C,以及III-A和III-B,不过尽管有这些不同,所有的CRISPR-Cas系统都通过三个主要阶段来完成功能:采集,CRISPR RNA(crRNA) 生物合成与靶向干扰。
阶段1:外源DNA采集
外源核苷酸是通过Cas蛋白来识别的,入侵的短片段DNA(30-50个碱基对)被称为protospacers,作为间隔序列插入宿主CRISPR位点中,由重复序列隔开。对于I型和II型系统来说,protospacers来自入侵DNA中两侧出现2-5个核酸结构(PAM,protospacer adjacent motif)的区域。一般protospacers连接在CRISPR 位点的一端,并且后者通过涉及Cas1、Cas2和游离3'-hydroxyls等元件的机制,牵引序列。Protospacer的整合过程中也出现了牵引末端重新序列复制,这可能涉及宿主聚合酶和DNA修复机制。
相关论文解析:
Multiple mechanisms for CRISPR–Cas inhibition by anti-CRISPR proteins
研究人员确定了其中三种anti-CRISPR蛋白:AcrF1、AcrF2和AcrF3的功能机制。他们对这些蛋白进行了生物化学及体内研究,证实每一个anti-CRISPR蛋白都通过不同的机制来抑制了CRISPR–Cas的活性。有两个anti-CRISPR阻断了CRISPR–Cas复合物的DNA结合活性,但它们是通过与不同的蛋白质亚基互作,利用了空间或非空间抑制模式来做到这一点的。第三种anti-CRISPR蛋白通过结合Cas3解螺旋酶-核酸酶,阻止其招募到结合DNA的CRISPR–Cas复合物上来起作用。在体内,这一anti-CRISPR可以将CRISPR–Cas系统转变为转录遏制物,首次证实了一种蛋白质相互作用蛋白可以调控CRISPR–Cas活性。作者们认为,这些anti-CRISPR蛋白质不同的序列及作用机制表明了独立的进化,并预示了还存在其他的方式——蛋白质借助于它们改变了CRISPR–Cas的功能。
新研究首次探讨了蛋白质抑制CRISPR–Cas系统的机制。这些多样且不同的机制反映了病毒-宿主军备竞赛深层的进化根源。这些已知和尚有待发现的Anti-CRISPR,将为认识和操控CRISPR–Cas系统提供大量有价值的工具。其中一个例子就是,新研究发现AcrF3通过阻止招募Cas3将CRISPR–Cas系统转变为了一个基因调控因子。由于除了破坏外源DNA,CRISPR–Cas系统来执行着各种功能,许多重要的功能有可能是由与CRISPR–Cas元件互作,由此改变了这一系统活性的蛋白质来完成。
阶段2:crRNA合成CRISPR RNA
生物合成在转录之后,生成初级转录产物:pre-crRNA,之后经过加工,又成为一组短小的CRISPR 衍生RNAs(crRNAs),这些crRNAs每一个都包含有对应于之前遇到的外源DNA的对应序列。
CrRNAs导向序列两端是相邻重复序列区域,在I型和II型系统中,这种CRISPR转录产物会被CRISPR特异性核酸内切酶(Cas6 或 Cas5d)切割,切割位点位于重新序列。许多I型系统的重新序列会出现多次,因此Cas6也需要稳定连接在crRNA 3‘端茎环上。对于III型系统来说,Cas6则是短暂连接,crRNA 3’端会进一步通过未知的酶处理。
II型系统中,CRISPR RNA加工过程则取决于反式作用 crRNA (tracrRNA),tracrRNA包含一个重复序列的互补序列,这些双螺旋区域在Cas9出现时可以通过RNase III 进行处理。
相关论文解析:
CRISPR-mediated adaptive immune systems in bacteria and archaea.
这篇发表在Annu. Rev. Biochem. 杂志上的文章十分重要,解析了crRNA合成过程,以及其后的靶向干扰中的几个重要步骤,此后也被多人引用。
Development and Applications of CRISPR-Cas9 for Genome Engineering张锋的这篇综述概述了CRISPR/Cas9作为一种平台技术的开发状况以及在基因组编辑方面的应用,也讨论了其存在的一些挑战,以及未来的创新之路。
阶段3:靶向干扰
成熟的crRNAs能指导Cas蛋白靶向互补靶标,靶标序列由专用Cas 核酸酶降解,但其靶标降解的机制存在差异。I型和II型系统都可以靶向包含PAM和protospacer互补序列的dsDNA底物。III型系统则不依赖于 PAM作为识别序列,而是通过导向序列延伸至crRNA信号5'handle的核苷酸进行识别(CRISPR位点包含与导向序列,5'handle互补的序列),并阻止靶向切割。
相关论文解析:
Co-transcriptional DNA and RNA Cleavage during Type III CRISPR-Cas Immunity
一些数据表明,当病毒入侵细菌细胞时,称作为III型CRISPR-Cas的这一机制会靶向病毒的DNA,阻止它利用细菌的机器来拷贝自身及感染更多的细菌。但另外的一些实验表明,III型CRISPR-Cas只能通过切割病毒RNA来让病毒丧失能力。
洛克菲勒大学的研究人员他们检测了III型CRISPR-Cas对DNA和RNA的切割,结果发现了从前其他人没有得到过的一个关键成分,并发现CRISPR-Cas确实切割了病毒DNA生成的RNA,但它也切割了病毒的DNA。
这种双交叉系统有一些优势。许多的病毒整合到它们感染细胞的基因组中保持休眠状态,不会造成损伤。事实上,这些病毒对于细菌可能是有益的,例如它们携带的毒素帮助了细菌促进自身生存。举例说来,白喉毒素是由一种细菌所分泌,但编码这一毒素的基因却来自于一种病毒。只有在病毒开始将它们的DNA转录为RNA之时才会让它们丧失功能,通过设置这样的要求III型CRISPR-Cas不会损及休眠病毒,使得它们可以继续让宿主细菌受益。
循环关闭I型系统中,监测复合物中靶向结合会导致Cas3介导的靶向降解(直接干扰)或最初采集,这其中涉及crRNA导向募集Cas3、Cas1 和Cas2到外源DNA处,引起新一轮的快速采集。
II型系统中虽然未观察到最初采集,但Cas9 也是protospacer筛选的必要元件,这表明在靶向干扰与外源DNA采集之间存在一种功能性联系。近期还有研究发现了编码anti-CRISPRs 蛋白的不同病毒基因,这也是指出了干扰以上不同阶段,能颠覆CRISPRs 系统。
Cas9 specifies functional viral targets during CRISPR-Cas adaptation.
一些证据表明,某些Cas酶(未包括Cas9)自身可以操控记忆形成过程。基于Cas9识别切割位点的方式,研究人员猜测Cas9在记忆形成中也发挥了作用。
除了匹配CRISPR引导序列和病毒DNA,Cas9需要在附近寻找第二信号:病毒DNA中的前间区序列邻近基序( protospacer adjacent motif,PAM)序列。这是一个至关重要的步骤,因为PAM序列的存在阻止了Cas9攻击细菌自身包含记忆的DNA。
为了检验他们的假说,研究人员交换了化脓链球菌和嗜热链球菌免疫系统的Cas9酶,它们各自识别不同的PAM序列。结果,PAM序列跟随着在两种细菌之间发生了交换——表明在记忆形成中Cas9负责了PAM的识别。
Multiple mechanisms for CRISPR–Cas inhibition by anti-CRISPR proteins研究人员确定了其中三种anti-CRISPR蛋白:AcrF1、AcrF2和AcrF3的功能机制。他们对这些蛋白进行了生物化学及体内研究,证实每一个anti-CRISPR蛋白都通过不同的机制来抑制了CRISPR–Cas的活性。有两个anti-CRISPR阻断了CRISPR–Cas复合物的DNA结合活性,但它们是通过与不同的蛋白质亚基互作,利用了空间或非空间抑制模式来做到这一点的。第三种anti-CRISPR蛋白通过结合Cas3解螺旋酶-核酸酶,阻止其招募到结合DNA的CRISPR–Cas复合物上来起作用。在体内,这一anti-CRISPR可以将CRISPR–Cas系统转变为转录遏制物,首次证实了一种蛋白质相互作用蛋白可以调控CRISPR–Cas活性。作者们认为,这些anti-CRISPR蛋白质不同的序列及作用机制表明了独立的进化,并预示了还存在其他的方式——蛋白质借助于它们改变了CRISPR–Cas的功能。
新研究首次探讨了蛋白质抑制CRISPR–Cas系统的机制。这些多样且不同的机制反映了病毒-宿主军备竞赛深层的进化根源。这些已知和尚有待发现的Anti-CRISPR,将为认识和操控CRISPR–Cas系统提供大量有价值的工具。其中一个例子就是,新研究发现AcrF3通过阻止招募Cas3将CRISPR–Cas系统转变为了一个基因调控因子。由于除了破坏外源DNA,CRISPR–Cas系统来执行着各种功能,许多重要的功能有可能是由与CRISPR–Cas元件互作,由此改变了这一系统活性的蛋白质来完成。
来源:生物通
为你推荐
资讯 武田制药公布Oveporexton新关键性研究数据
在第40届美国联合专业睡眠学会年会(SLEEP 2026)上公布的3期研究次要及探索性终点结果进一步显示,Oveporexton在广泛的日间及夜间症状方面带来改善
2026-06-16 12:58
资讯 兆科眼科硫酸阿托品滴眼液澳洲上市注册申请获受理
6月15日,兆科眼科发布公告称,公司就其用于减慢儿童近视加深疗法的硫酸阿托品滴眼液(0 02%剂量,产品代码:NVK002)提出的注册申请已获澳洲Therapeutic Goods Administrati...
2026-06-16 10:53
资讯 和铂医药和百图生科宣布联合成立AI医药公司
6月15日,和铂医药和百图生科联合宣布,双方将建立全面战略合作伙伴关系,联合创立一家面向全球市场的新型AI管线研发公司MegaStream Techbio。
2026-06-16 10:25
资讯 陪审团认定安进故意侵权,和铂医药最高可获6060万美元赔偿
今日,和铂医药(02142 HK)发布公告,美国特拉华州联邦地区法院的陪审团就和铂医药针对安进公司(Amgen Inc )及其子公司Teneobio, Inc (以下合称“安进”)提起的专利侵...
2026-06-15 21:28
资讯 年内创新药上市企业最大回购计划
港股上述企业,中国生物制药(正大天晴为其旗下公司)今日发布公告,2026年6月12日,公司董事会决议通过一项股份购买计划,将视市场情况于未来12个月以不超过20亿港元总价在公开...
2026-06-15 15:56
资讯 蚂蚁阿福拍皮肤功能升级,试水“AI+医生把关”协作模式
6月15日, "蚂蚁阿福 "宣布“拍皮肤”功能升级:可识别皮肤病种类从50种增至100多种,覆盖99%的线上就医常见皮肤问题。
2026-06-15 11:27
资讯 即将获批的“老花眼”滴眼液被云顶新耀收购
6月8日,云顶新耀(01952 HK)发布公告,宣布与箕星药业达成资产收购协议,获得LNZ100(1 44%醋克利定,美国商品名VIZZ)在大中华区(包含中国大陆、中国香港、中国澳门和中国...
2026-06-14 19:25
资讯 百奥泰永和工厂EU GMP检查,存在偏差管理相关措施不到位的问题
百奥泰今日发布公告称,公司于2026年2月4日至2月12日接受了法国国家药品与健康产品安全局(ANSM)针对欧盟药品生产质量管理规范(EUGMP)符合性的现场检查。
2026-06-14 16:21
资讯 化学仿制药药学研究重大缺陷情形有哪些,触及将不予批准,
药品审评中心在审评过程中发现存在重大缺陷的, 不再要求注册申请人补充资料,基于已有申报资料作出不予批准的审评结论。
2026-06-14 10:21
资讯 全球首发,首个基础胰岛素/GLP-1RA周制剂诺和杰即将在中国率先上市
作为诺和诺德“中国同创”项目的重要里程碑,诺和杰的3期临床研究COMBINE 1由北京大学人民医院纪立农教授牵头开展。这是诺和诺德历史上首次由中国专家担任全球首席研究者的国际...
2026-06-13 20:11
资讯 诺未生物完成亿元 B 轮融资,加速 HPV 治疗性核酸新药临床开发进程
所募资金将重点用于加速其全球首创 HPV 治疗性核酸药物 NWRD08 的 Ⅱ 期临床试验推进、扩大临床研究中心布局、完善 GMP 生产基地建设以及下一代创新管线的研发储备。
2026-06-12 15:41
资讯 ERA 2026重磅数据发布:耐赋康携23项最新研究,持续领跑IgA肾病对因治疗赛道
IgA肾病是我国最常见的原发性肾小球疾病,高达75%的患者会在20年后进展至肾衰竭,长期以来,临床缺乏靶向病因的精准治疗方案。
2026-06-12 14:11
资讯 诺华盐酸阿曲生坦降价53%,冲击今年国谈
6月9日,四川省药械招标采购服务中心发布《川药招〔2026〕124号 关于公示部分药品降价的通知》,共涉及228个药品减价,其中,诺华用于治疗IgA肾病的盐酸阿曲生坦位列其中,每盒3...
2026-06-12 13:16








