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《自然》盘点基因“剪刀”的五大谜题:它是谁?来自哪里?

《自然》盘点基因“剪刀”的五大谜题:它是谁?来自哪里?

原核生物利用CRISPR-Cas抵抗在细胞上形成图中结构的病毒。图片来源:Tessa

       这是一个伟大的工具。我想知道这个系统从头到尾是如何工作的。

       Francisco Mojica不是第一次看到CRISPR是的,但他可能是第一个被它迷住的人。他还记得1992年第一次瞥见微生物免疫系统可能引发生物技术革命的那一天。他在评估地中海嗜盐菌的基因测序数据时注意到了14个不寻常的数据DNA序列,每个碱基30个。它们的前后读数大致相同,每次重复约35个碱基。很快,他看到了更多类似的现象。Mojica因此,重复序列研究成为他在西班牙阿利坎特大学集中研究的对象。

       这不是一个受欢迎的决定。他的实验室已经好几年没有得到金了。会议上,Mojica抓住机会,抓住他能找到的任何大人物,问他们如何看待这个奇怪的小序列重复。不要太注意重复。他们总是这样警告他。很多身体都有很多重复。我们知道他们已经好几年了,但我们不知道他们中的大多数人是如何工作的。

       今天,人们学到了更多关于这个群的信息,即定期中间短回文的重复序列,这使得它得到了CRISPR并帮助CRISPR-Cas微生物免疫系统破坏入侵细菌。然而,尽管大多数生物医学领域的人已经开始对这一系统的运行机制感到敬畏,尤其是一种叫做CRISPR-Cas9因为它可以用来编辑基因,Mojica其他微生物学家仍然对该系统的一些基本问题以及它如何运行感到困惑。它是如何进化的?如何影响微生物的进化?为什么有些微生物在使用它,而另一些微生物不使用它?它在基础生物学中还有其他优势吗?

       它从哪里来?

       诸如CRISPR-Cas生物学优势非常明显。原核生物(细菌和很少被称为古生菌的单细胞生物)面临着基因入侵者的持续冲击。病毒的数量远远超过原核生物,比例可达10:1,每两天杀死世界上一半的细菌。原核生物也会交换DNA废物:质粒。如果宿主试图驱逐搭便车的分子,它们可能是寄生的——迫使宿主的资源逐渐枯竭。似乎没有什么是安全的:基因入侵者无处不在,从土壤到海洋到地球上最不宜居的荒凉地方。

       原核生物已经进化出大量的武器来应对这些威胁。但这些防御有点迟钝。每种酶都计划识别特定的序列,只有当一个微生物获得基因复本时才能得到保护。CRISPR-Cas更有活力。它可以适应和记住特定的基因入侵者,类似于人类抗体在感染后提供长期免疫。荷兰瓦赫宁根大学微生物学家说:当我们第一次听到这个假设时,我们认为这种方法对简单的原核生物可能太复杂了John van der Oost说。

       Mojica和别人一起看CRISPR重复回文之间的空间DNA当它们与病毒基因组中的序列相匹配时,有时会推断CRISPR-Cas功能。从那时起,研究人员开始开发和CRISPR细菌与古生菌接触特定病毒或质粒后,将这些间隔序列添加到基因组中。来自这些间隔区域RNA会指导其他Cas蛋白质吞下任何与序列相匹配的入侵DNA或RNA。

       它是怎么工作的?

       近年来,有很多关于Cas详细了解了蛋白质补充间隔区的分子细节,但病毒DNA在化学上类似宿主DNA。携带一个DNA这些蛋白质在细胞中是如何知道的DNA添加到CRISPR-Cas记忆中?

       这个赌注很高:如果一个细菌添加了它本身DNA它会因为自动免疫攻击而自杀。立陶宛维尔纽斯大学生化学家Virginijus Siksnys这些酶是一把双刃剑。

       也许是因为美国北卡罗莱纳大学的微生物学家,细菌和古生菌可以吸收某些错误Rodolphe Barrangou说。如果病毒攻击后其他细胞能蓬勃发展,一些细胞的自杀可能并不重要。

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