在它成为一个基因编辑工具之前，CRISPR有了一生

它是生物科技世界的耀眼的明星：一种功能强大的新工具，可以偏转和精确地改变DNA的结构。它承诺治愈疾病，强硬作物，抗疟疾蚊子等等。疯狂对技术 - 被称为CRISPR / CAS9 - 是全面的挥杆。每周，新的CRISPR结果都在科学期刊上展开。在法院，大学争夺专利。媒体报道了几乎每天几乎每天都有突破性的突破和伦理器的伦理。

但是，亮片和闪闪发光的亮度较小，这就像诱人对任何人都渴望理解自然界。Crispr技术背后的生物学来自一场战斗，这是一场为eons，视线之外肆虐的战斗，而且在我们周围（以及我们和美国）。

CRISPR编辑工具具有它的来源于微生物 - 细菌和古代，从海底通风口到人类鼻子中的鼻涕。数十亿日，这些单细胞生物体与病毒称为噬菌体的次数 - 攻击它们，侵略者如此丰富，即一滴海水可以容纳1000万。和自然克里普尔系统（有很多）在这个争斗中发挥着重要作用。它们作为守门人，基本上编制了进入细胞的病毒。如果病毒再次出现，细胞 - 及其后代 - 可以识别并摧毁它。研究该系统将教授生物学家关于生态，疾病和地球生命的整体工作。

但从简单的教科书的故事中转变为现实生活是凌乱的。在克里普尔系统的防御功能首先被欣赏的几年里，微生物学家已经营造了自然收集样品，进行实验，并嘎嘎作响的DNA数据，以试图了解系统所做的操作。从那里出现了大量优雅的生理学，大量复杂，惊喜令人惊讶 - 多于有点谜。

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被宠坏的酸奶

生物学复杂，其基本坚果和螺栓弄清楚了。CRISPR / CAS系统有两部分：CRISPR位和CAS位。在20世纪80年代后期和1990年代，扼杀了CISPR比特 - 或“经常间隙的短文重复” - 跌跌撞撞。科学家们通过研究在动物'肠道和盐沼的微生物中慢慢拼凑故事，导致瘟疫，曾经用于制作美味的酸奶和奶酪。

没有一个科学家首先知道他们正在处理什么。它们看到具有特征模式的DNA的延伸：由现在称为间隔物的其他DNA序列分离的短长度的重复序列。每个垫片都是独一无二的。因为间隔物的名位可能与给定微生物物种的一个细胞不同，所以早期实现是这些差异可能是对法医的“打字” - 调查人员可以讲述食物中毒病例是否有联系，或者有人被盗公司的酸奶初学者文化。

关闭遭遇

细菌使用CRISPR / CAS作为一种免疫或自卫反对入侵者的形式。细菌从过去的入侵者构建一个遗传物质库，使得如果同样的入侵者再次攻击，细菌及其后代可以禁用它。

但好奇的发现堆积了。结果，一些垫片，结果匹配噬菌体的DNA。在2005年的一系列报告中，科学家们展示了一个例子，乳酸菌链球菌的菌株含有匹配称为感染链球菌的噬菌体的遗传物质。菌株的间隔率越多，耐噬菌体越耐受。

这开始看起来很像学习或自适应免疫力，类似于我们自己的抗体系统：暴露于特定威胁后，您的免疫系统记得，此后，您将抵抗这种威胁。在2007年在科学发表的经典实验中，丹尼斯科食品公司的研究人员表明它是如此。当噬菌体感染嗜热噬菌体培养时，他们可以看到新的垫片。之后，细菌对噬菌体的免疫。它们可以人工工程师将噬菌体间隔物进入CRISPR DNA并看到抗性出现;当他们离开垫片时，免疫力丢失了。

这对于一个可以找到通过噬菌体侵扰灭绝的酸奶制剂的整个大桶的行业方便的英特尔。罗利北卡罗来纳州立大学的Rodolphe Barrangou说，这是一个令人兴奋的时间和商业地区。“这不仅仅是发现一个很酷的系统，而且还揭示了乳制品行业的强大噬菌体电阻技术，”他说。

CRISPR / CAS系统的第二部分是CAS位：一组基因位于CRISPR间隔物簇附近。这些基因的DNA序列强烈建议他们在一些时尚中携带与DNA或RNA相互作用的蛋白质的指令 - 粘贴，切割它，复制它，解开它。当研究人员灭活一个CAS基因时，他们看到免疫力摇摇欲坠。显然，系统的两个位 - CRISPR和CAS - 是一支球队。

到达今天的CRISPR / CAS系统战斗噬菌体的基本模型需要更多的实验 - 而不仅仅是噬事事事事事程。其他类型的外国DNA可以进入微生物，包括称为质粒的圆环，从细胞中乘坐被称为可转换元素的细胞和DNA片，其在基因组内跳跃。CRISPRS可以抵御这些入侵者，并以整洁的顺序保持微生物的基因组。

该过程的工作方式如下：病毒将其遗传物质注入细胞中。感测这种危险，细胞选择遗传物质的小条带，并将其添加到CRISPR簇中的垫片上。该步骤（称为免疫或适应）创造了一系列遇到的遇到细胞，细胞具有病毒，质粒或其他外来的DNA随着时间的推移，整齐地排列在逆转时间顺序，最新的最新状态。

较旧的垫片最终得到棚，但富含CISPR的集群可以长期发展 - 迄今为止的记录持有人是Haliangium Ochraceum的587个间隔，这是一种从一片海藻中分离的盐散瞳微生物。“这就像看你在手臂中的最后600次射击一样，”Barrangou说。“考虑一下。”

新的垫片到位，现在免疫微生物。后来实现了。如果同样的噬菌体再次进入细胞，则识别。细胞使相关间隔物的RNA拷贝，其与入侵噬菌体的基因组上的匹配点结合。“引导RNA”引导CAS蛋白靶向并剪下噬菌体DNA，更换入侵者。

所有条纹的Crispr

基于DNA序列数据，科学家们将一系列已知的CRISPR系统阵列分为五种类型和16个亚型。类型的分布在古痤疮和细菌中不同。

研究人员现在知道有一个不同的CRISPR系统的陈列赛风暴，而且列表继续增长。有些是简单的 - 例如在更复杂的生物中适用于基因编辑的CRISPR / CAS9系统（SN：4/15/17，p。 16） - 有些是详细说明的，许多蛋白质工作人员部署到完成工作。

那些闷闷不乐系统的演变的人正在破译一个复杂的故事。克切者工具箱的一部分涉及免疫（在噬菌体中添加卵形添加它们的遗传物质）似乎已经起源于一种称为卡苏皂锡的特定类型的转换元素。但是负责靶向的部分具有多种起源 - 在某些情况下，它是另一种类型的转换元素。在别人里，这是一个谜。

缺点

鉴于CRISPR系统的力量来抵御敌人，人们可能认为每个可爱的微生物在土壤，通风口，湖泊，肠道和这个星球的鼻孔中都有一个。不是。

数字远非肯定，部分原因是科学并没有接近识别所有世界的微生物，更不用说探讨了他们所有人的克里姆普尔。但到目前为止累积的微生物遗传数据的浴室占据了有趣的趋势。

概比表明，克里普尔系统在已知的古亚亚洲的普遍存在中普遍存在的是，这种系统在贝塞斯达国家健康研究院的计算进化生物学家中，大约90％的古代群岛和约35％的细菌存在于约35％的细菌中。 MD。古代和细菌，虽然既小和单细胞，则在生命之树的两侧。

也许更重要的是，Koonin说，几乎所有生活在过度环境中的已知微生物都有Crisprs。他的小组的数学模型表明，当微生物遇到足够多的病毒以使自适应记忆有价值时，Crisp系统最有用。但是，如果有太多的种类，病毒变化得非常快，Crisprs并没有真正帮助 - 因为你再也不会看到了同样的病毒。他说，超出生态系统似乎具有稳定的噬菌体普遍性，这不是过高或低的。

而CRISPR系统有缺陷。正如人们能够开发对自己身体的自身免疫反应，细菌和古亚妥可能意外地从自己的DNA的比特中偶然地制造Crisprplps - 并且风险咀嚼自己的遗传物质。研究人员已经看到了这一点。“无需费用，”没有豁免豁免权，“以色列的韦州威维特师科科学研究所的微生物基因组学家Rotem Sorek说。

但错误是罕见的，而且Sorek和他的同事最近在他们学习的微生物中淘汰了原因。研究人员在2015年报道了Crisprp间隔物从DNA的线性比特产生，并且当它进入细胞时，噬菌体DNA是线性的。由于其圆形形式，细菌染色体受到保护。它是否应该断裂并成为一个咒语的线性，例如当它被复制时，它包含抵消CAS蛋白的信号。

克里普尔系统还有其他含量。避免噬菌体和其他入侵者并不总是奖励，这有时可以带来有用的东西。大肠杆菌O157：H7，食物中毒的名望，可以使人类生病，因为毒素基因陷入困境，只有噬菌体，仅举一个Myriad的例子。甚至Crisp系统本身也通过噬菌体，质粒或转座元件围绕微生物王国传播。

对于缺乏CRISPRS系统的微生物，还有许多其他方法可以击退外国DNA - 多达10％的微生物基因组可以致力于霍克兰战争，而新的防御系统仍未被发现。

对策

当然，细菌和噬菌体之间的战争是双面的。就像微生物想要保持门关闭以保护其遗传完整性并逃避毁灭，噬菌体想要。

因此，噬菌体反对克里姆普尔。它遗传地变成了CRISPRS不再识别的形式。或者它设计定制炮兵。Microbiologist Joe Bondy-Denomy，现在在加州大学旧金山发生了在多伦多大学分子微生物学家艾伦戴维森实验室的毕业生等自定义武器。该团队知道铜绿假单胞菌的细菌，这种铜绿假单胞菌在土壤和水中造成危险的感染，具有剧烈的克隆系统。然而，一些噬菌体似乎没有被它迷惑。

这是因为这些噬菌体具有小蛋白质，这些蛋白质将与此或干扰的小蛋白质或克切者机器的部分，例如CAS酶切割噬菌体DNA。研究人员在2015年报告的研究人员本质上禁止绑定系统。邦迪 - 岁及其他人以来发现了其他噬菌体和其他种类的横向DNA中的抗克切者基因。戴维森说，基因是如此普遍，他奇怪了多少钱系统真正活跃。

在特别是奇异的扭曲，加利福尼亚大学的微生物学家金伯利种子，伯克利发现了一种携带自己的CRISPR系统的噬菌体，并用它来反对霍乱菌罪，她及其同事在自然界中报告。它串联一段细菌DNA，通常抑制噬菌体感染。

当然，在这个永无止境的嘲笑中，人们会期望微生物再次反击噬菌体。“这是我经常被问到的事情：“很棒，有防克里克尔在那里，所以抗禁止克里姆普尔德在哪里？“邦迪 - 尼斯说。没有人发现这样的事情。

进化司机

在受控的实验室设置中学习CRISPR系统，或仅在一种类型的微生物中是一回事。另一种是要了解各种克隆，人体肠道，患病肺或霍乱污染的生态系统的所有各种CRISPRS所做的事情。因为研究人员对研究人员知之甚少的黑马微生物来说，克里克尔丰富的估计可能会降低。

例如，在2016年的自然通信报告中，UC Berkeley的Geomicrobiogratics jill Banfield和同事于科罗拉多地下水检测了1,724微米，已被治疗，以提高难以隔离的类型。在这个样本中克切者系统比在更新的微生物的数据库中稀有得多。

当然，统计克里普尔斯只是开始。微生物社区 - 包括我们自己胆量内的那些，那里有很多CRISPR系统和噬菌体 - 是动态的，而不是冷冻。Crisprs如何塑造野外噬菌体和微生物的演变？Banfield的和Barrangou的实验室在牛奶媒体中孵育的嗜热疗法和噬菌体一起服用。团队看到细菌数字随着噬菌体入侵;然后细菌获得噬菌体的间隔物，并圆润地下降，又依次下降。然后，新的噬菌体种群蔓延，由于遗传变化，免受嗜热嗜热药物防御。通过这种方式，研究人员在2016年在MBIO中报告，CRISPRS是“噬菌体演变的基本驱动因素之一”。

CRISPR系统可以拿起，掉落，然后通过细菌和古代再次拾取随着时间的推移，也许是条件和需求变化。细菌霍乱霍乱是这种活力的一个例子，因为2015年在细菌学杂志中报道的种子和同事。这种医疗枯萎的古典菌株遭到困境的污垢，但这些菌株在20世纪60年代疯狂地灭绝了。导致霍乱的菌株没有CRISPRS。

没有人知道为什么，种子说。但科学家强调它是一种错误的涂抹微生物和噬菌体，质粒和转换元素之间的关系作为一种简单的战争。噬菌体并不总是肆虐;他们可以静静地将其基因组静静地进入细菌染色体并良好地共存，并与宿主DNA一起复制。噬菌体，质粒和转换元件可以赋予新的，有用的性状 - 有时甚至是必需的。实际上，DNA跨种类和菌株的这种运动是核心细菌和古亚群岛的核心。

所以这是关于找到平衡。“如果你包含太多的外国DNA，你不能维持一个物种，”纽约市洛克菲勒大学的分子微生物学家Luciano Marraffioly说，其工作首先表明DNA切割是CRISPR系统的关键。但你需要让一些DNA进入，有些CRISPR系统可能允许这一点：例如，他在金葡萄球菌的系统中研究了2014年报告的细胞杀伤或裂殖，州，他和同事的噬菌体。

图形后的故事继续

两条道路旅行

噬菌体并不总是摧毁他们入侵的微生物。许多人有两个国家：它们可以将细胞的蛋白质，RNA和DNA和DNA和DNA制造系统共同选择，以批量生产更多，在称为“裂变”循环中，最终杀死细胞。或者它们可以将它们的遗传物质插入到宿主染色体中，每次细胞势均在“溶血性”循环中被动地被动复制。掺入的遗传物质有时可用于细菌。

资料来源：Ron Feiner等人/ NAT。rev. microbiol。2015; “乳化菌的裂解和溶血性循环。”无限的生物学，2016年8月。Bit.ly/boundless-phage

超越防守

有一件事对CRISPR系统非常清楚：他们在很多方面都令人困惑。出于一开始，微生物中的垫片应反映其自己的杂志的自身故事。因此，您认为会有当地百分比，在法国采样的细菌将具有来自阿根廷在阿根廷采样的细菌的不同间隔簇。这不是研究人员总是看到的。

拿下讨厌的p。铜绿假单胞菌。伊利诺伊州伊利诺伊大学的微生物人口生物学家雷切尔怀特·惠克尔（Rachel Whitaker）在厄巴纳 - 康香植物中研究了囊性纤维化的人群，其肺部产生慢性感染。她发现没有迹象表明，两名患者彼此靠近携带更多类似的p。铜绿假单胞菌Crisprs比两名患者分开数千英里。然而，肯定会期待附近的CRISPRS更近的比赛，因为假单胞菌会遇到类似的噬菌体。“这是非常奇怪的，”惠特克说。

其他人在从非常遥远的鼓泡温泉中取样的热爱细菌中看到了同样的事情。Konstantin Severinov说，就好像科学家们不真正了解世界各地的细菌如何传播世界各地的细菌如何，在新的Brunshik，N.J.

带有福利的入侵者

有时外国DNA进入细胞时有奖励。避免抗生素和抗拒重金属的能力已经追溯到来自噬菌体，质粒和转发元件的基因。

葡萄球菌（左上左），沙门氏菌毒蕈类和其他疾病导致的细菌对抗生素药物具有抗性药物，在质粒，可转换元件和噬菌体DNA上携带的抗性基因。多种基因经常一起转移.Scherichia
Coli O157：H7含有Shiga毒素，来自噬菌体DNA的礼物，以及制造细菌的危险性危险的进口特征。大肠
杆菌，假单胞菌铜绿假单胞菌（右上右），枯草芽孢杆菌和其他人都是耐重金属，如汞，砷和铬。这些细菌在受污染的水域和医院中发现，其中重金属用作消毒剂。质粒和转移元素经常转移抗
性。噬菌体豆科杆菌和其他根瘤菌可以从空气中拉氮，并因为细菌港的质粒基因而使植物可用。

- Rosie Mestel.

另一个奇怪的性能是CRISPR系统的不同活力。有些非常活跃。斯坦福大学Carnegie Carnegie Cartoloology系的分子生物学家Devaki Bhaya在例如，在黄石的温泉的蓝藻中经常添加并滴下散分卡的明确标志。但其他系统是缓慢的，并且遗传研究的经典主致讲座的大肠杆菌具有一个寻亮的CRISPR系统 - 已关闭。

它可能已经关闭了很长时间。大约42,000年前，一个婴儿羊毛猛犸象在西伯利亚西北西北地区死亡。在2007年发现的遗体非常好，保留了肠道完整，并且可以提取大肠杆菌DNA。

在1月份发表于分子生态学的研究中，Severinov的团队发现了猛犸衍生的大肠杆菌Crispr群中的垫片和现代大肠杆菌中的斑点之间的惊人的相似性。“这一切都没有营业额，”Severinov Marvels。如果CRISPR系统没有活跃，为什么大肠杆懒得保留？

这种窘境整洁地引导了一些研究人员称为智力上的“丑闻局势”。

在某些情况下，间隔物的遗传序列很好地匹配噬菌体DNA。但总的来说，只有分数（约1至2％）的垫片科学家知道已经与病毒或质粒相匹配。在大肠杆菌中，垫片不符合已知感染细菌的常见的噬菌体。“这是世界上存在巨大，未知的病毒暗物质吗？” Joonin说 - 或者是噬菌体的超快吗？“或者是完全不同的东西吗？”

一些研究人员面对这一难题，强烈怀疑 - 并有证据 - CrispRups系统可能比捍卫更多;他们可能有其他工作。沟通，也许。或转向和关闭基因。

但是一些微生物的Crispr序列确实有意义，特别是如果看到最近添加的垫片，其他话可以是仍未发现的噬菌体的线索。所以即使他们划伤了许多事情的头脑，科学家也是由故事的兴奋，克里普尔克群可以讲述细菌和古老的DNA的病毒和其他比特，并且他们选择，无论是什么原因，要注意记录。微生物注意什么？他们忽略了什么？

Carrprs在这些问题上提供了一个明亮的新窗口，实际上已经是旨在的新颖码和事实，了解谁在显微镜世界中的感染。

“我们可以在那里编制一切。但我们真的不知道重要的是什么，“邦德 - 尼斯说。“CRISPRS可以帮助我们了解。”

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Rosie Mestel是一位位于洛杉矶的自由撰稿人。

本文出现在2017年4月15日，问题新的新闻界标题，“原创CRISPR：在成为一个着名的工具之前，基因编辑是一个无休止的微观战争中的武器。“