CRISPR是規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）的縮寫。CRISPR與內(nèi)切酶Cas是一對(duì)好基友，細(xì)菌依靠它們組成的防御系統(tǒng)對(duì)抗外來(lái)侵略者。CRISPR-Cas能夠在引導(dǎo)RNA的指引下，靶標(biāo)并切割入侵者的遺傳物質(zhì)。2012年研究者們利用這一特點(diǎn)，將CRISPR系統(tǒng)發(fā)展成了強(qiáng)大的基因組編輯工具。該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單而且擴(kuò)展性強(qiáng)，很快便成為了生物學(xué)領(lǐng)域最耀眼的明星。

在細(xì)菌的CRISPR-Cas適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中，Cas1-Cas2蛋白復(fù)合體會(huì)捕獲30–40bp的外源DNA，將它們整合到CRISPR的間隔區(qū)，形成自己的免疫記憶。如果這種外源DNA再次入侵，細(xì)菌就能夠及時(shí)將其剪切，從而保護(hù)自身安全。外源DNA整合應(yīng)當(dāng)是特異性很強(qiáng)的，不然就會(huì)損害基因組或CRISPR序列。然而令人吃驚的是，這種活動(dòng)在體外顯得相當(dāng)混亂。

加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)九月五日在Nature Structural & Molecular Biology雜志上發(fā)表文章，向人們展示了CRISPR免疫對(duì)基因組完整性的保護(hù)。這篇文章的通訊作者是著名CRISPR先驅(qū)Jennifer A. Doudna。Doudna教授是CRISPR技術(shù)的共同開發(fā)者，曾因這一技術(shù)獲得了“生命科學(xué)突破獎(jiǎng)”（Breakthrough Prize），是CRISPR專利的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

研究人員發(fā)現(xiàn)，釀膿鏈球菌（S. pyogenes）II-A型Cas1–Cas2整合酶通過(guò)限制整合第二步來(lái)維持特異性。在非CRISPR位點(diǎn)，整合會(huì)停在位點(diǎn)中間，使反應(yīng)能夠逆轉(zhuǎn)。釀膿鏈球菌的Cas1–Cas2對(duì)旁邊的前導(dǎo)重復(fù)序列有很高的特異性，能夠識(shí)別重復(fù)序列的回文末端。這項(xiàng)研究指出，DNA插入位點(diǎn)沒有此前人們以為的那么普遍，這樣可以防止CRISPR免疫適應(yīng)的毒性，有助于維持基因組的完整性。

加州大學(xué)伯克利分校以Jennifer A Doudna為首的研究團(tuán)隊(duì)取得了諸多令人側(cè)目的CRISPR研究成果。去年四月Doudna領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在Science雜志上發(fā)表文章，為人們揭示了CRISPR-Cmr 復(fù)合體結(jié)合靶標(biāo)的具體機(jī)制。他們通過(guò)冷凍電鏡技術(shù)獲得了天然III型Cmr復(fù)合體及其與目標(biāo)RNA結(jié)合時(shí)的分子結(jié)構(gòu)，獲得了接近原子水平的高分辨率。

去年十月，Doudna及其同事在Nature雜志上發(fā)表文章指出，Cas9 的HNH核酸酶結(jié)構(gòu)域構(gòu)象狀態(tài)直接控制了DNA切割活性。他們通過(guò)分子內(nèi)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）實(shí)驗(yàn)，鑒定了HNH核酸酶結(jié)構(gòu)域的一種激活構(gòu)象。研究還證實(shí)，一個(gè)α-螺旋將HNH的構(gòu)象改變傳達(dá)給RuvC結(jié)構(gòu)域，激活它實(shí)現(xiàn)DNA切割。

今年年初，Doudna的研究團(tuán)隊(duì)揭示了CRISPR-Cas9準(zhǔn)備剪切DNA時(shí)的關(guān)鍵分子結(jié)構(gòu)。在CRISPR-Cas系統(tǒng)中，Cas蛋白與小CRISPR RNA（crRNA）形成復(fù)合體，切割與RNA互補(bǔ)的外源DNA。R-loop是I型和 II型CRISPR-Cas的一個(gè)典型特征，基因組編輯常用的sgRNA就會(huì)和Cas9形成R-loop。為了闡明R-loop的作用，研究人員通過(guò)冷凍電鏡獲得了釀膿鏈球菌Cas9 R-loop的高分辨率結(jié)構(gòu)。