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CRISPR

CRISPR（IPA：/ˈkrɪspər/；DJ：/ˈkrispə/；KK：/ˈkrɪspɚ/） 1987年日本科學家在大腸桿菌的基因組發現有特別的規律序列，某一小段DNA會一直重複，重複片段之間又有相等長的間隔，此序列稱為 CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。它是存在於細菌中的一種基因，該類基因組中含有曾經攻擊過該細菌的病毒的基因片段。細菌透過這些基因片段來偵測並抵抗相同病毒的攻擊，並摧毀其DNA。這類基因組是細菌免疫系統的關鍵組成部分。透過這些基因組，人類可以準確且有效地編輯生命體內的部分基因，也就是CRISPR/Cas9基因編輯技術。

Cascade
(CRISPR相關病毒防禦複合體)
Structure of crRNA-guided E. coli Cascade complex (Cas, 藍色) bound to single-stranded DNA (橘色).
標識
生物 大腸桿菌（Escherichia coli）
符號 CRISPR
Entrez 947229
PDB 4QYZ
RefSeq （蛋白質） NP_417241.1
UniProt P38036
其他數據
CRISPR的可能機制示意圖[1]

CRISPR/Cas系統，為目前發現存在於多數細菌與絕大多數的古菌中的一種後天免疫系統[2]，以消滅外來的質粒或者噬菌體[3][4]，並在自身基因組中留下外來基因片段作為「記憶」[5]。臺灣翻譯全名為常間回文重複序列叢集/常間回文重複序列叢集關聯蛋白系統，中國大陸則為規律間隔成簇短回文重複序列/規律間隔成簇短回文重複序列相關蛋白系統（或相關核酸酶系統）（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated proteins）。

目前已發現三種不同類型的 CRISPR/Cas系統，存在於大約40%和90%已定序的細菌和古菌中[6][7]。其中第二型的組成較為簡單，以Cas9蛋白以及嚮導RNA（gRNA）為核心的組成。

Cas9是第一個被廣泛應用的CRISPR核酸酶，其次是Cpf1，其在新澤西弗朗西斯菌（英語：Francisella novicida）的CRISPR/Cpf1系統中被發現[8][9]。其它這樣的系統被認為存在[10]。

由於其對DNA干擾（DNAi）的特性（參見RNAi），目前被積極地應用於遺傳工程中，作為基因體剪輯工具，與鋅指核酸酶（ZFN）及類轉錄活化因子核酸酶（TALEN）同樣利用非同源性末端接合（NHEJ）的機制，於基因體中產生DNA的雙鏈斷裂以利剪輯。第二型 CRISPR/Cas 經由遺傳工程的改造應用於哺乳類細胞及斑馬魚的基因體剪輯[11][12]。其設計簡單以及操作容易的特性為最大的優點，目前已逐步應用在各種不同的模式生物當中。


發現歷史 編輯

聚簇DNA重複的發現始於世界三個地區的三個獨立地點。我們今天稱為CRISPR的基因組重複群集，即原核生物擬核DNA鏈中的叢生重複序列，在1987年一份由大阪大學的石野良純領銜的大腸桿菌研究報告中被首次描述[13]。2000年，相似的重複序列在其它真細菌和古細菌中被發現，並被命名為短間隔重複序列（Short Regularly Spaced Repeats，SRSR）[14]。2002年SRSR被重命名為CRISPR，其中一部分基因編碼的蛋白為核酸酶和解旋酶，這些關聯蛋白（Cas, CRISPR-associated proteins）與CRISPR組成了CRISPR/Cas系統[15]。

Cas9 編輯

科學家還研究了來自化膿性鏈球菌的更簡單的CRISPR系統，其依賴於蛋白Cas9。Cas9內切核酸酶是包含兩個小RNA分子的四組分系統[16]。

詹妮弗·杜德納、埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶及張鋒各自獨立的探索CRISPR關聯蛋白，了解細菌如何在它們的免疫防禦使用間隔（spacer）。他們共同研究一個比較簡單的依賴於稱為Cas9蛋白的CRISPR系統。

Cpf1 編輯

在2015年，核酸酶Cpf1被發現在新澤西弗朗西斯菌（英語：Francisella novicida）的CRISPR/Cpf1系統[8][9]。其他這樣的系統被認為存在[10]。Cpf1與Cas9的有幾個關鍵差異，包括： 1. DNA 斷裂方式不同：導致雙鏈DNA中的「交錯」或「黏性(sticky end)」切割，而不是由Cas9產生的「鈍的 (Blunt end)」切割。 2. 相鄰間隔原基序（英語：Protospacer adjacent motif）(PAM)不同：Cpf1辨認「富含T鹼基」的PAM，而 Cas9 辨認 NGG 為PAM，可為 Cas9 提供替代的標靶序列。 3. 僅需要 CRISPR RNA（crRNA）用於成功標定（使用Cas9同時需要crRNA和一個反向活化crRNA（英語：Trans-activating crRNA）（tracrRNA））。

Cas9n

Cas9n是SpCas9的D10A突變體，只保留了SpCas9兩個核酸酶結構域（RuvC和HNH）中的一個來產生DNA切口而不是DSB。因此，需要兩個靶向相反的Cas9n才能在靶DNA內產生DSB，這種方法大大提高了靶標特異性，因為不太可能產生兩個離靶切口。

評價 編輯

在2012年和2013年，CRISPR是《科學》年度突破的第二名。

在2014年和2016年被《麻省理工科技評論》評為10項突破技術之一[17][18]。

在2020年 艾曼紐爾．夏本提爾（Emmanuelle Charpentier) 與珍妮佛．道納（Jennifer Doudna) 藉CRISPR的研究榮獲2020年諾貝爾化學獎的桂冠

參考文獻 編輯

  1. ^ Horvath, Philippe; Barrangou, Rodolphe. CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea. Science. 2010-01-08, 327 (5962): 167–170. ISSN 0036-8075. PMID 20056882. doi:10.1126/science.1179555 （英語）. 
  2. ^ Westra, Edze R.; Swarts, Daan C.; Staals, Raymond H.J.; Jore, Matthijs M.; Brouns, Stan J.J.; van der Oost, John. The CRISPRs, They Are A-Changin': How Prokaryotes Generate Adaptive Immunity. Annual Review of Genetics. 2012-12-15, 46 (1): 311–339 [2020-10-12]. ISSN 0066-4197. doi:10.1146/annurev-genet-110711-155447. （原始內容存檔於2020-06-23） （英語）. 
  3. ^ Barrangou, R.; Fremaux, C.; Deveau, H.; Richards, M.; Boyaval, P.; Moineau, S.; Romero, D. A.; Horvath, P. CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes. Science. 2007-03-23, 315 (5819): 1709–1712 [2020-10-12]. ISSN 0036-8075. PMID 17379808. doi:10.1126/science.1138140. （原始內容存檔於2020-12-12） （英語）. 
  4. ^ Marraffini, Luciano A.; Sontheimer, Erik J. CRISPR Interference Limits Horizontal Gene Transfer in Staphylococci by Targeting DNA. Science. 2008-12-19, 322 (5909): 1843–1845. ISSN 0036-8075. PMC 2695655  . PMID 19095942. doi:10.1126/science.1165771 （英語）. 
  5. ^ Marraffini, Luciano A.; Sontheimer, Erik J. CRISPR interference: RNA-directed adaptive immunity in bacteria and archaea. Nature Reviews Genetics. 2010-03, 11 (3): 181–190 [2020-10-12]. ISSN 1471-0056. PMC 2928866  . PMID 20125085. doi:10.1038/nrg2749. （原始內容存檔於2020-11-07） （英語）. 
  6. ^ 71/79 Archaea, 463/1008 Bacteria CRISPRdb （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Date: 19.6.2010
  7. ^ Grissa, Ibtissem; Vergnaud, Gilles; Pourcel, Christine. The CRISPRdb database and tools to display CRISPRs and to generate dictionaries of spacers and repeats. BMC Bioinformatics. 2007, 8 (1): 172 [2020-10-12]. PMC 1892036  . PMID 17521438. doi:10.1186/1471-2105-8-172. （原始內容存檔於2020-10-28）. 
  8. ^ 8.0 8.1 Zetsche, Bernd; Gootenberg, Jonathan S.; Abudayyeh, Omar O.; Slaymaker, Ian M.; Makarova, Kira S.; Essletzbichler, Patrick; Volz, Sara E.; Joung, Julia; van der Oost, John. Cpf1 Is a Single RNA-Guided Endonuclease of a Class 2 CRISPR-Cas System. Cell. 2015-10, 163 (3): 759–771 [2020-10-12]. PMC 4638220  . PMID 26422227. doi:10.1016/j.cell.2015.09.038. （原始內容存檔於2020-12-19） （英語）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Fonfara, Ines; Richter, Hagen; Bratovič, Majda; Le Rhun, Anaïs; Charpentier, Emmanuelle. The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA. Nature. 2016-04, 532 (7600): 517–521 [2020-10-12]. ISSN 0028-0836. PMID 27096362. doi:10.1038/nature17945. （原始內容存檔於2020-10-17） （英語）. 
  10. ^ 10.0 10.1 Even CRISPR. The Economist. 2015-10-03 [2020-10-12]. ISSN 0013-0613. （原始內容存檔於2020-12-12）. 
  11. ^ Mali, Prashant; Yang, Luhan; Esvelt, Kevin M.; Aach, John; Guell, Marc; DiCarlo, James E.; Norville, Julie E.; Church, George M. RNA-Guided Human Genome Engineering via Cas9. Science. 2013-02-15, 339 (6121): 823–826 [2020-10-12]. ISSN 0036-8075. PMID 23287722. doi:10.1126/science.1232033. （原始內容存檔於2020-12-12） （英語）. 
  12. ^ Hwang, Woong Y.; Fu, Yanfang; Reyon, Deepak; Maeder, Morgan L.; Tsai, Shengdar Q.; Sander, Jeffry D.; Peterson, Randall T.; Yeh, J.-R. Joanna; Joung, J. Keith. Efficient genome editing in zebrafish using a CRISPR-Cas system. Nature Biotechnology. 2013-03, 31 (3): 227–229 [2020-09-25]. ISSN 1546-1696. doi:10.1038/nbt.2501. （原始內容存檔於2020-06-23） （英語）. 
  13. ^ Ishino, Y; Shinagawa, H; Makino, K; Amemura, M; Nakata, A. Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product.. Journal of Bacteriology. 1987, 169 (12): 5429–5433 [2020-10-12]. ISSN 0021-9193. PMC 213968  . PMID 3316184. doi:10.1128/JB.169.12.5429-5433.1987. （原始內容存檔於2020-12-12） （英語）. 
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  15. ^ Jansen, Ruud.; Embden, Jan. D. A. van; Gaastra, Wim.; Schouls, Leo. M. Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes. Molecular Microbiology. 2002-03, 43 (6): 1565–1575. ISSN 0950-382X. doi:10.1046/j.1365-2958.2002.02839.x （英語）. 
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  17. ^ Talbot, David. Precise Gene Editing in Plants/ 10 Breakthrough Technologies 2016. Massachusetts Institute of Technology. 2016 [2016-03-18]. （原始內容存檔於2020-04-09）. 
  18. ^ Larson, Christina; Schaffer, Amanda. Genome Editing/ 10 Breakthrough Technologies 2014. Massachusetts Institute of Technology. 2014 [2016-03-18]. （原始內容存檔於2020-04-09）. 

延伸閱讀 編輯

參閱 編輯

外部連結 編輯

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