什么是CRISPR 怎么能用它来关闭基因

CRISPR系统一直是一个热门的研究课题，因为它们在2012年被证明可以用作基因工程工具。它们通常以大多数人都能理解的方式解释。但这些解释往往忽略了关键细节 - 比如科学家们仍在探索这些系统如何运作的基本规则。

例如，这里有一个简化的解释：CRISPR-Cas系统可以保护细菌免受病毒等入侵者的攻击。他们通过创建与特定入侵者特有的DNA序列相匹配的小链RNA来实现这一目标。当那些CRISPR RNA找到匹配时，它们会释放Cas蛋白，这些蛋白会切断入侵者的DNA，阻止它复制。

但当然它比那更复杂。例如，有六种不同类型的CRISPR系统(我们知道)。最广泛研究的CRISPR系统之一是CRISPR-Cas9，其是II型CRISPR系统。但自然界中最常见的CRISPR系统是I型。来自北卡罗来纳州的新研究揭示了控制I型CRISPR系统的一些基本规则 - 例如CRISPR RNA可以存在多长时间，以及如何改变CRISPR RNA影响系统的行为。

为了了解更多信息，我们与Chase Beisel和Michelle Luo进行了交谈，后者最近与蒙大拿州立大学的两个小组合作，发表了一篇关于核酸研究工作的论文。Beisel是北卡罗来纳州化学和生物分子工程的助理教授; 罗博士是博士。Beisel实验室的学生。

摘要：为什么特别感兴趣的I型CRISPR系统?

Michelle Luo：正如您所提到的，I型系统是最常见的CRISPR-Cas系统。它们占已知系统的一半以上。当我们考虑将有机体自身的系统用于其他目的时，这是特别令人感兴趣的。虽然CRISPR-Cas9无疑是一种革命性的遗传工具，但它依赖于将这种外源Cas9蛋白导入生物体。这是一项非常重要的任务。但是，如果您使用生物体自身的CRISPR-Cas蛋白，如我们之前的工作所示，您可以避免表达非天然蛋白质的挑战。由于I型系统如此普遍，它们提供了一种有前景的途径来探索如何利用天然CRISPR-Cas系统进行其他方法。

摘要：在您最近的工作中，您正在评估如何以及是否可以修改I型CRISPR系统中的RNA。具体来说，您正在研究是否可以修改I型CRISPR系统中的RNA长度。你为什么要改变RNA的长度?

罗：两年前，发表了许多论文，详细介绍了I型蛋白质复合物的晶体结构，这些蛋白质复合物结合并有助于降解靶DNA。这些出版物暗示CRISPR RNA作为支架来组装复合物中的不同蛋白质。换句话说，RNA作为这些蛋白质的框架。因此，我们假设如果我们改变CRISPR RNA的长度，我们可以改变I型蛋白质复合物的大小和组成，并可能改变复合物的行为。

摘要：如何或为什么扩展DNA识别中使用的蛋白质复合物是有用的?

Chase Beisel：进入这个项目，我们不知道更长的RNA是否会让复合物更均匀地组装，更不用说正常运作了。我们惊讶地发现，较长的RNA仍然形成一个稳定的复合物，可以结合并指导DNA的切割。因为这种复合物更大并且识别更长的靶序列，我们最初设想该复合物可用于更特异性的DNA编辑或用于控制基因表达。

摘要：当我想到CRISPR时，我想到一个系统要么单独留下DNA，要么削减它。当你说改变RNA的长度在基因抑制中更有效时，你是什么意思?

罗：你的总结很重要。通常，CRISPR-Cas系统调查DNA景观，如果他们检测到目标，他们将用微小的分子剪刀切割DNA。如果未确定目标，则DNA将保持不变。我们早期的工作表明，我们可以通过从等式中移除剪刀来防止切割DNA。我们通过从基因组I型基因座中删除cas3基因来做到这一点。现在，CRISPR-Cas系统不是切割DNA，而是简单地结合DNA。如果我们将这些修饰的系统导向基因，它将阻断该基因的表达。我们最近的研究表明，改变RNA的长度会影响沉默发生的强度。对于某些区域，CRISPR RNA越长，抑制越强。

摘要：这是否使CRISPR系统更具体?即，它是否允许系统在其“攻击”的DNA方面更具针对性?

Beisel：我们想知道同样的事情。事实上，我们确实探索了RNA的长度如何影响特异性作为出版物的一部分，尽管结果参差不齐。一方面，更多的RNA参与碱基配对，其中更多的碱基配对必然意味着更高的特异性。另一方面，我们发现较长的RNA适应与靶序列的错配，表明特异性较弱。最后，需要更多的实验来探索特异性问题以及它如何影响I型系统的任何下游用途。

摘要：如何使用基因抑制功能?有没有潜在的应用?

罗：当然!这对于代谢工程尤其有希望。如果你想让微生物工厂生产一种有价值的有价值的产品，比如生物燃料，你就必须改变有机体的新陈代谢。这需要过量表达导致生产的基因并关闭与生产竞争的基因。我们的系统允许研究人员以有效，特定位点，可逆和多重的方式关闭基因。我们的最新发现表明，您可以通过改变CRISPR RNA的长度来微调基于CRISPR的基因抑制的程度。这就是我们最近在核酸研究中发表的论文。

摘要：这项研究的未来方向是什么?

Beisel：除了Michelle提到的应用之外，我们感兴趣的是为什么大自然只使用固定长度的RNA，因为较长的RNA可以产生完美的功能性复合物。我们也对这种现象是否适用于许多不同类型的I型系统感兴趣，从那些使用复杂的蛋白质远远少于生活在极端温度的生物体中的蛋白质。

Beisel：我们想知道同样的事情。事实上，我们确实探索了RNA的长度如何影响特异性作为出版物的一部分，尽管结果参差不齐。一方面，更多的RNA参与碱基配对，其中更多的碱基配对必然意味着更高的特异性。另一方面，我们发现较长的RNA适应与靶序列的错配，表明特异性较弱。最后，需要更多的实验来探索特异性问题以及它如何影响I型系统的任何下游用途。

摘要：如何使用基因抑制功能?有没有潜在的应用?

罗：当然!这对于代谢工程尤其有希望。如果你想让微生物工厂生产一种有价值的有价值的产品，比如生物燃料，你就必须改变有机体的新陈代谢。这需要过量表达导致生产的基因并关闭与生产竞争的基因。我们的系统允许研究人员以有效，特定位点，可逆和多重的方式关闭基因。我们的最新发现表明，您可以通过改变CRISPR RNA的长度来微调基于CRISPR的基因抑制的程度。这就是我们最近在核酸研究中发表的论文。

摘要：这项研究的未来方向是什么?

Beisel：除了Michelle提到的应用之外，我们感兴趣的是为什么大自然只使用固定长度的RNA，因为较长的RNA可以产生完美的功能性复合物。我们也对这种现象是否适用于许多不同类型的I型系统感兴趣，从那些使用复杂的蛋白质远远少于生活在极端温度的生物体中的蛋白质。