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基因編輯（gene editing），又稱基因組編輯（genome editing）或基因組工程（genome engineering），是一種新興的比較精確的能對生物體基因組特定目標(biāo)基因進行修飾的一種基因工程技術(shù)。基因編輯技術(shù)指能夠讓人類對目標(biāo)基因進行定點“編輯”，實現(xiàn)對特定DNA片段的修飾。
目前廣泛使用的基因編輯技術(shù)是CRISPR-Cas9，它是細菌和古細菌在長期演化過程中形成的一種適應(yīng)性免疫防御，可用來對抗入侵的病毒及外源DNA。而CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，則是對靶向基因進行特定DNA修飾的技術(shù)，這項技術(shù)也是用于基因編輯中前沿的方法。該技術(shù)在一系列基因治療的應(yīng)用領(lǐng)域都展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，但過大的蛋白分子成為CRISPR未來應(yīng)用方式中最重要的瓶頸之一。
最近，來自美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型基因編輯工具——CasΦ，它是一種功能最小的CRISPR-Cas系統(tǒng)，由1?70 KD的CasΦ蛋白和一個CRISPR陣列組成，且僅在巨型噬菌體的基因組中編碼，其體積是CRISPR-Cas 9的一半，這項研究成果于7月16日發(fā)表在《Science》雜志上。
本研究中，CasΦ（Cas12j）是巨型噬菌體分枝中編碼的Cas蛋白家族，巨型噬菌體用它來誘使細菌抵抗自身而不是自身的病毒。它使用單個活性位點進行CRISPR RNA（crRNA）加工和crRNA指導(dǎo)的DNA切割，以靶向外來核酸。從進化關(guān)系而言，CasΦ或許更為“古老”，其與V型CRISPR-Cas蛋白的同源性不足7%，但與V型CRISPR-Cas蛋白的源頭TnpB核酸酶超家族的部分蛋白有更高同源性。研究發(fā)現(xiàn)，CasΦ借助于單一向?qū)NA的引導(dǎo)，并依賴于PAM位點的指引以實現(xiàn)目標(biāo)DNA的識別（其中CasΦ-2所識別的PAM序列為5’-TBN-3’（B=G,T,C））。
研究人員在論文中還研究了來自宏基因組的三個不同的CasΦ直系同源物：CasΦ-1，CasΦ-2和CasΦ-3。為了檢驗CasΦ在細菌細胞中識別和靶向DNA 的能力，他們測試了CasΦ 是否可以保護大腸桿菌免于質(zhì)粒轉(zhuǎn)化。他們首先試圖確認核酸酶是否像其他Cas核酸酶一樣使用前間區(qū)序列鄰近基序（PAM）來靶向DNA序列，因此他們轉(zhuǎn)化了一個包含crRNA互補靶位點附近隨機區(qū)域的質(zhì)粒文庫，從而減少含有功能性PAM的質(zhì)粒。這揭示了CasΦ具有靶向crRNA引導(dǎo)的雙鏈DNA（dsDNA）的能力。
隨后，研究人員使用大腸桿菌表達系統(tǒng)和質(zhì)粒干擾試驗確定了CRISPR- CasΦ系統(tǒng)運行所需的組件。他們觀察到casΦ基因的轉(zhuǎn)錄和減少的CRISPR陣列，但沒有證據(jù)表明其他非編碼RNA，例如基因座內(nèi)的反式激活CRISPR RNA（tracrRNA）。此外，CasΦ活性可以通過改變引導(dǎo)RNA來重新編程為靶向其他質(zhì)粒序列，這表明其天然環(huán)境中的核酸酶是一種功能性噬菌體蛋白，以及能夠切割crRNA互補DNA的CRISPR-Cas效應(yīng)子。數(shù)據(jù)還表明，該單一RNA系統(tǒng)比其他活性CRISPR-CAS系統(tǒng)更加緊湊。
巨噬細胞編碼的CasΦ在其宿主的超感染情況下的功能示意圖
總結(jié)：CasΦ的小尺寸及其最小的PAM需求將特別有利于基于載體的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)運，以及更廣泛的可靶向基因組序列。此外，其緊湊的特質(zhì)使其特別適合工程和實驗室進化，可創(chuàng)造用于基因組操作的新功能。當(dāng)考慮核酸酶在臨床上未來的潛力時，Al-Shayed補充說，由于它來自環(huán)境噬菌體，而不是致病菌或人類腸道細菌，這可能使其成為更好的治療工具。 但其進一步功能和可能的應(yīng)用方面仍有許多工作要做。例如，其脫靶效應(yīng)的潛力尚未得到測試。重要的是，這項研究展示了噬菌體來源的Cas系統(tǒng)的潛力，并且表明CRISPR更廣泛的生物學(xué)機制仍然未知。
