通过自私基因劫持CRISPR防御具有临床前景

当哈姆雷特在击剑比赛中受到莱尔特斯中毒刀片的致命伤害时，他会切换武器并反击，因此莱尔特斯被他自己的剑杀死。在自然中写作，Klompe等。图1描述了生物战中同样戏剧性的武器转换。他们报告说，一种名为Cascade的分子机器，细菌用来抵御遗传入侵者，也可以被一些入侵者用来对抗它们。为了增加戏剧性，这种微小的战争工具最终可能会发现自己有一个和平的目的：用于治疗疾病的人体细胞的基因工程。

细菌的基因组不断受到来自“自私”DNA片段(例如来自感染细菌的病毒和移动遗传元件的基因)的攻击，这些细胞增强了它们自身的传播和传播，而不是它们的寄主。一种类型的移动元件称为转座子。一些转座子只携带五个基因，其唯一的功能是在细菌中传播转座子2。这些基因的蛋白质产物共同作用，将转座子DNA插入细菌基因组中的特定位点，插入时不会损害宿主。转座子因此成为该细菌中的永久“乘客”。当机会出现时，它会将自身转移到一个小的圆形DNA片段中，细菌在彼此之间传递以转移遗传物质，从而可以移动到新宿主2。

细菌配备了几种针对此类寄生虫的防御系统。其中一种被称为CRISPR3，其工作方式类似于犯罪分子的“通缉”海报。当外源DNA进入细菌细胞时，CRISPR将其切断并将一些片段放入细菌基因组中。这些片段都没有粉尘收集战利品，但过去的侵略的“回忆”：细菌把它们拷贝到RNA的简短片段和手他们交给专门CRISPR相关核酸酶，其中Cas9是最好的研究4，5。这些核酸酶携带RNA片段并将其与进入的DNA进行比较;如果有匹配，则入侵的DNA被破坏。

2017年，彼得斯等报道了一个奇怪的事实。6：一些转座子也携带Cascade的基因，Cascade是一种CRISPR防御系统。这毫无意义。为什么寄生遗传因素需要以自身为目标的防御机制?并非生物的所有特征都是达尔文的适应性，但Cascade在许多细菌的转座子中的令人费解的流行意味着它必须存在于某种原因。

然而，Peters等人。注意到Cascade转座子系统的两个特点。首先，尽管Cascade机器仍然通过将其与Cas型蛋白质上携带的RNA片段进行比较来识别目标DNA，但这种机器无法切割DNA，因此就像装满空白的枪。其次，转座子携带了将其DNA整合到细菌基因组中所需的所有常用基因，但缺乏指导整合到通常的“宿主”安全目的地的基因 - 从而阻止级联枪瞄准特定目标。彼得斯等人。假设这两个缺点是有利的：也许转座子使用Cascade识别细菌中的新DNA靶标，然后将转座子DNA整合到该位点?

Klompe及其同事现在提供了大量的实验数据，证明并扩展了这一理念。他们表明转座子可以使用其Cascade乘客的RNA引导组件将Cascade引导至基因组中的特定位置。他们还报告说，在识别目标DNA后，Cascade直接与蛋白质(TniQ)结合，引导转座子插入基因组中的新位置(图1)。这种插入具有令人印象深刻的特异性 - 在作者研究的所有25个案例中，转座子被精确地且完全地递送到细菌基因组中的靶向地址。Klompe及其同事的研究结果阐明了微生物的进化如何能够变形，改组和组合成分，从而为问题提出全新的解决方案 - 在这种情况下，导致RNA引导的DNA转座。

这项工作将激励研究人员在完全不同的科学方面开展工作：人类基因工程治疗疾病。治疗基因通常使用病毒安装在人体内，这些病毒要么在细胞基因组外持续存在(这意味着它们在细胞分裂时会迅速稀释)，要么在基因组DNA中半随机降落(这引起了潜在的安全问题)7。一个解决这个问题是该技术称为基因组编辑8，9- ，其中工程化的核酸酶，诸如Cas9，是针对所关注的位置切割DNA以产生双链断裂(DSB)，然后将其修复使用有助于在该位置10插入基因的模板(图1a)。

尽管DSB驱动的基因添加是有用的，但它具有局限性。首先，它在非分裂细胞中相对低效地起作用，其中许多细胞是基因治疗的潜在靶标。其次，待插入的基因必须侧接与其插入的基因组区域中的序列匹配的DNA区段，这占据治疗剂中的宝贵空间。第三，DSB的产生具有相关的风险11，尽管是可管理的风险。彼得斯等人。6和Klompe等人。表明所报道的转座子原则上提供了所有这些问题的解决方案：转座子整合过程不需要靶标处的DSB(图1b)，或治疗剂中的侧翼DNA，并且应该在非分裂中起作用细胞。因此，它可能是临床中人类基因编辑的有吸引力的方法。

但是，在认真考虑临床应用之前，必须填写一份长清单。该清单包括：显示该过程在疾病相关的人类细胞(而不是细菌)中的靶基因组位置上有效地起作用;证明它可以整合大到足以在临床上有用的DNA片段;证明它在人类基因组中的特异性，它比细菌基因组大约1000倍;并开发方法将与整合过程相关的全部蛋白质传递给细胞而不引发人体免疫反应。这是一项艰巨的工作量，但在过去30年的研究的一个重要教训为基因治疗是大多数这种类型的挑战，最终解决了7，11，12。因此，转座子用于繁殖自身的CRISPR系统很可能会发现自己可以用于遗传医学。