CRISPR了解一下

今天，小编和大家一起学习CRISPR！

在表观遗传学、干细胞、癌症研究如火如荼的今天，大家似乎都把目光投入了更加“高等”的生物。然而原核CRISPR系统的发现和应用却再次证明了“低等”生物的存在感。

CRISPR系统不但丰富了我们对于细菌、古细菌生理机制的认知，更重要的是这种体系的改造利用能带来席卷整个分子生物学领域，更新现有操作模式的一场技术革命。同时，它也为我们打开了一扇窗，从CRISPR的角度重新认识整个微生物世界自我和相互间的调控网络、调控机制，原核及真核细胞间的异同和联系，甚至协同进化的证据。

初露锋芒，刮目相看

--细菌也有“高级”的获得性免疫系统 到底什么是CRISPR？--它的中文名很长很拗口，和英文一样不知道怎么念，却能顾名思义，了解其基因序列上的特点，那就是--成簇的、规律间隔的、短回文、重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）。 任何伟大事物的开端，任何风云人物的发家，任何跌宕故事的开始，总是不起眼“其貌不扬”的，我们的主角CRISPR系统也不例外。

很多综述里都把CRISPR的起源说在了1987年，还是从我们最熟悉的E.coli,最经典的K-12株系中发现的，但是本着挖祖坟的心态费劲找出这篇26年前的文章来考据，却发现似乎其中只有这一点是与我们的CRISPR沾边的，就是这个回文序列。

这个发现纯属偶然，也没有引起包括发现者本身太大的重视，甚至这种特征序列都没有一个名字，直到2002年，在通过计算机操作发现很多原核生物（真细菌和古细菌），都有类似被21-37bp的回文重复序列间隔开的非重复序列后，他才正式有了这个顾名思义的名字CRISPR，成簇的、规律间隔的、短回文、重复序列（clusteredregularly interspaced short palindromicrepeats，CRISPR）。并且除了这样的特征序列外，在他们的附近还有一写CRISPR-associated基因。也就是我们后来说的发挥大刀剪切作用和整合外源片段作用的一系列Cas蛋白。

于是我们基本可以得到这样一张漂亮的模式图，并清楚了CRISPR系统中最重要的3大元件-spacer（白色方块），回文repeats（双三角），cas等基因。

一开始，由于spacer序列种内保守，种间差异的特点，一度甚至现在也在被用来鉴定菌株，回头看来虽然大材小用，但好歹也是广泛应用性的体现。 功能显然和spacer的序列特异性有关，那么是chromosomal rearrangement？modulation ofexpression of neighboring genes,targetfor DNA bindingproteins,？replicon partitioning,还是DNArepair？都有道理不过只是猜测，直到2005年，3个课题组独立的数据分析表明--这些spacer是外源DNA来源的，病毒或者质粒。于是才让大家想，外源DNA，这会不会参与了防御外来DNA呢？ 2007年Streptococcusthermophilus的实验证实了这一猜想，于是经过不断完善，有了我们下面这张华丽丽的示意图，一个只能用elegant形容的漂亮的免疫过程。 如何解说这个漂亮的系统，我想参照我们学过的抗原抗体免疫很容易理解，这里用一个通俗的比喻（如下图3）。 外源DNA就是坏蛋，而抓住坏蛋特征这一最核心的步骤之一则是--靠的Cas复合体将片段特征proto-spacer制作成spacer，整合进CRISPR序列中，形成记忆。于是接下来的2次免疫中，spacer便可以快速bingding到proto-spacer上。完成这一target的精确打击过程。干掉入侵者。 估计大家也都注意到了一个特别的“帽子“PAM（下文中也会提到）这里作为一个防止自身免疫的机理出现，不难想到当然也同时也制约了proto-spacer的选择。

图4原核生物CRISPR获得性系统工作原理图

当然，CRISPR也不是原核生物唯一的防御系统，近期的一篇NAR也横向总结比较了真细菌与古细菌的各种免疫机制。但是毫无疑问的是，CRISPR的发现极大的扩充了我们对于原核生物生理机制的认知。

跟据最新的官方说法目前，已经在48%的真细菌和95%的古细菌中发现了CRISPR系统。可以算得上是普遍存在了。2007年就有法国的课题组开发了一个CRISPRFinder，让大家上传序列，来鉴定该基因组中是否包含CRISPR。从而统计CRISPR的在原核生物中存在的普遍性。（这里的统计数据和刚才说的有出入，尚未能证实其关系。