CRISPR-Cas9现已成为被广泛使用的基因编辑及诊断工具，且全球多家公司正在基于这一技术开发新疗法（），但它的天然功能其实是帮助微生物对抗病毒的免疫系统的一部分。当细菌的细胞被病毒DNA入侵后，其CRISPR系统会捕获并记录病毒DNA的片段。如果相同的病毒再次出现，系统将会快速识别出来。
来源：Science
11月23日，最新发表在Science杂志上的一项研究中，CRISPR技术先驱张锋教授及其合作者使用一种算法对数百万个基因组进行分类，以发现新的、罕见的CRISPR系统类型。研究发现了近200种新的CRISPR系统。
“我们对CRISPR系统的多样性感到非常惊讶。” 张锋教授说道。
来源：Justin Knight, McGovern Institute
CRISPR-Cas9系统通常由两部分组成：1）识别并结合噬菌体DNA或RNA的“引导RNA（guide RNA）”分子，以及2）在引导RNA指示的位点切割或干扰遗传物质的酶。到目前为止，研究人员已经确定了六种CRISPR系统，命名为I-VI。它们有不同的特性，包括它们使用的酶的类型，以及它们如何识别、结合和切割RNA或DNA。通常用于基因工程改造的CRISPR–Cas9系统被归类为II型。
为了在自然界中找到不同的CRISPR系统，科学家们开发了一种名为FLSHclust（Fast Locality-Sensitive Hashing-based clustering）的算法，可以分析公共数据库中的基因序列。这些数据库包含来自细菌和古细菌的数十万个基因组，数亿个未与特定物种相关联的序列，以及数十亿个编码蛋白质的基因。FLSHclust通过寻找基因序列之间的相似性，并将它们分组成大约5亿个簇，发现CRISPR相关基因。
先前未被报道的CRISPR-Cas系统的鉴定和表征（来源：Science）
通过研究这些簇的预测功能，科学家们发现了大约13万个基因以某种方式与CRISPR系统相关，其中188个系统是以前从未见过的。研究人员还在实验室中更详细地测试了几种新系统，以了解它们的作用。实验揭示了CRISPR系统用来攻击噬菌体的各种策略，包括解开DNA双螺旋结构，以及以允许基因插入或删除的方式切割DNA。他们还发现了“抗CRISPR”的DNA片段，这可能有助于噬菌体逃避细菌的防御。
值得一提的是，该研究发现了几种已知I型CRISPR系统的新变体，它们使用32个碱基对长的引导RNA，而不是Cas9的20个核苷酸的引导RNA。由于它们的引导RNA更长，这些I型系统可能被用于开发更精准的基因编辑技术。研究团队展示了其中两个系统能够对人类细胞的DNA进行短暂的编辑。此外，由于这些I型系统在大小上与CRISPR-Cas9相似，它们很可能使用与目前用于CRISPR的相同基因传递技术被递送到动物或人类的细胞中。
此外，研究人员还发现了一些IV型CRISPR系统的新的作用机制，以及精确靶向RNA的VII型系统（有可能被用于RNA编辑）。研究人员表示，该研究突出了CRISPR系统前所未有的多样性和灵活性。
该研究中发现的多种CRISPR系统（来源：Science）
共同参与该研究的MIT生物工程师Han Altae-Tran说，现在说VII型CRISPR系统或FLSHclust鉴定的任何其他基因是否对基因工程有帮助还为时过早，但它们有一些可能有用的特性。例如，VII型系统只涉及很少的基因，因此可能很容易装入病毒载体并被递送到细胞中。此外，如前文所述，该团队发现的其他一些系使用非常长的引导RNA，这可能使它们能够以前所未有的准确性靶向特定的基因序列，从而降低脱靶效应。
德国马尔堡大学的微生物学家Lennart Randau表示，该项研究成果是生物化学家的宝库。下一步将是找出酶和系统工作的机制，以及如何将它们用于生物工程改造。
奥塔哥大学的生物化学家Chris Brow则认为，该研究中的算法本身就是一项重大进展。“我们的搜索算法可以被任何想要使用这些大型数据库来研究蛋白质如何进化或发现新基因的人使用。”Altae-Tran补充道。
参考资料：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-03697-w
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1910
[3]https://www.broadinstitute.org/news/search-algorithm-reveals-nearly-200-new-kinds-crispr-systems
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