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主题简介

对CRISPR-Cas的生物学概述

当面临不同环境胁迫，包括由可动遗传因子传递的胁迫，原核细胞（如噬菌体和质粒）用不同策略去提高适应性。很多细菌和古细菌利用叫做CRISPR-Cas体系的简洁、由RNA指导、核酸靶向、自适应限制机械来防御这些因素。当体系提供一个应对外来基因片段的有效防御的同时，系统也在调节环境胁迫下的细菌的生理机能方面扮演重要角色。CRISPR-Cas系统，特别是包含Cas9核酸内切酶的II型体系，日益被用来连接期望得到的核酸序列和序列特异性目标片段裂解。作为一个无数体系中的操纵基因的通用便携式平台，Cas9介导的基因工程超越了生物研究。这里，我们对CRISPR-Cas的历史和生物性做了一个系统概述，重点突出来自这些体系、极大扩展分子生物学家工具包的创新型工具。

简介和历史

数十年来，CRISPR-Cas系统的作用和目的还是个谜，直到一系列对这些原核细胞的适应性免疫系统和对它们如何被针对性基因利用的探索的生物研究，经过敏锐的观察发现了这一扩展领域。这一领域的快速发展被称为“CRISPR狂热”，而且被科研机构广泛认定为已经改革了基因工程。第一次理论验证实验证明这些系统可以当做基因工程工具被重新编码和利用之后仅三年，Cas9技术不仅被用来在各种组织和模式系统中产生基因敲除突变体，而且有各种用途，包括但不仅限于，转录抑制、DNA定位激活和活细胞成像。

关于CRISPR-Cas系统的研究不知不觉已经开始了25年之久了，这是为少数人知道的。那时候，在Escherichia大肠杆菌基因组中，间插不重复序列（被称为“间隔区”） 的一系列短而重复的DNA序列被识别（20-40bp的长度，被称为“重复区”）是跟着基因编码的碱性磷酸酶转换酶同工酶的顺序排列。与此同时，这些序列的作用和目的是未知的。然而，20年后，计算分析发现，这些重复序列在许多细菌和古生菌中都有存在，特别是，间隔区对许多外源可移动遗传因子（如质粒、转位子、噬菌体）中的序列都有特异性。更深入的生物信息学研究揭示，这些被称作CRISPR的序列，经常和一系列Cas基因联系在一起。许多Cas基因和核酸内切酶和螺旋酶家族或者基因编码的其它核酸连接蛋白有序列相似性。很多间隔区和可移动遗传元件是完全相同的，结合这一发现，引发了一个假设：CRISPR-Cas系统可能作为RNA指导的对外来遗传元件干扰的一种形式。这一假设在2007年经过一系列基础实验被认可，实验提供第一手证据证明CRISPR序列和相关Cas蛋白指导对噬菌体感染的干扰。可能，更有趣的是，新的间隔序列很自然地随噬菌体感染进入到CRISPR序列中，然后促进对违规噬菌体序列特异性的依赖，同时在原核生物中也是适应性免疫的一种机制。

在过去8年中，RNA指导的CRISPR-Cas系统干扰机制大部分已被发现。简单来讲，CRISPR调节的干扰发生在三个初级阶段：（1）间隔采集；（2）crRNA转录和成熟；（3）目标识别和切割。在间隔采集阶段，外源核酸被识别加工为短的、间隔大小的序列，被插入到CRISPR序列中，两侧围绕一对重复序列。然后CRISPR序列被转录加工为成熟小RNA，叫做crRNAs，它们每个都包含重复序列和单个间隔区部分，促进对一个目标核酸（有与间隔序列互补特征片段）的识别。crRNAs复合Cas蛋白，而且，在有些情况下，额外的RNAs和目标连接，导致目标裂解。

CRISPR-Cas生物领域在快速持续扩张，很多组织已经慢慢发现了CRISPR-Cas系统在抵御外源核酸方面的分子功能，还有关于这些系统变革和他们在其他生理过程中的作用的一些线索。最近，这项基础工作已经引起对这些系统，特别是CRISPR关联的核酸内切酶Cas9，如何工程化应用于生物技术的探索。

CRISPR-Cas系统的类型

CRISPR-Cas系统因为由临近CRISPR序列编码的独特Cas蛋白可被划分为三种主要类型，TypeI、II、III。除了在原核细胞适应性方面的保守功能，CRISPR-Cas系统在结构和力学方面是多样化的。在免疫适应阶段，这三种CRISPR-Cas类型是最稳定守恒的。在这一过程中，在所有已知编码Cas蛋白的系统中，Cas1和Cas2。这两种金属依赖核酸酶对间隔采集都是充分必要的，但是对目标干扰是非必需的。最近，已知的Cas1和Cas2的晶体结构表明，这两种蛋白在体外形成稳定异二聚体复合物，而在体内，Cas1和Cas2的相互作用在新间隔整合期间对于识别CRISPR重复序列的DNA二级结构来说是很必要的。Cas1的催化