11.11: CRISPR 和 crRNA

细菌和古细菌就像真核生物一样容易受到病毒感染;因此，它们已经发展出一种独特的适应性免疫系统来保护自己。成簇的规则间隔短回文重复序列和 CRISPR 相关蛋白 （CRISPR-Cas） 存在于超过 45% 的已知细菌和 90% 的已知古细菌中。

CRISPR-Cas 系统在宿主基因组中存储外源 DNA 的副本，并在再次感染时使用它来识别外源 DNA。CRISPR-Cas 有三个不同的阶段来攻击再次感染的病毒。在采集阶段，病毒 DNA 的原始间隔区被 CRISPR 系统切割。在靶病毒 DNA 中存在的前间隔区相邻基序 （PAM） 的帮助下，可以鉴定特定的前间隔区进行切割。然后将切割的原始间隔序列掺入细菌 CRISPR 基因座。在表达阶段，CRISPR 和 CAS 基因被转录以产生前 CRISPR RNA （crRNA） 和 Cas mRNA。然后对 pre-crRNA 进行加工以产生成熟的 crRNA。在干扰阶段，crRNA 和翻译的 Cas 蛋白形成核糖核蛋白复合物，以序列特异性方式靶向和切割病毒 DNA。

CRISPR-Cas 系统可分为三种不同的类型，其特征在于其 Cas 蛋白类型。在 I 型系统中，Cas3 具有解旋酶和核酸酶活性。多个额外的 Cas 蛋白在病毒 DNA 中产生双链断裂。在 II 型系统中，核酸酶 Cas9 单独作用以切割 DNA。除了 crRNA，II 型系统还具有 crRNA 成熟所需的反式激活 CRISPR RNA （tracrRNA）。在 III 型系统中，Cas10 的功能未知，但与 I 型系统一样，它需要多种蛋白质进行 DNA 切割。III 型系统还可以靶向 RNA 进行切割。I 型和 III 型存在于细菌和古细菌中，而迄今为止，II 型仅在细菌中发现。与限制性内切酶等传统基因组编辑技术相比，CRISPR-Cas 系统使用更简单，可以在同一实验中靶向多个基因。因此，它已成为一种强大的基因工程工具，并被广泛用于修饰原核生物和真核生物的基因组。