Ⅰ型CRISPR-Cas系統(tǒng)效應物的結構特征及其在基因編輯領域的應用

張鈺雯，俞晨霖，戴心忱，肖易倍，陸美玲*

（1中國藥科大學生命科學與技術學院，南京211198；2中國藥科大學藥學院，南京211198）

CRISPR-Cas （clustered regularly interspaced short palindromic repeats and CRISPR associated）系統(tǒng)是一種在細菌和古細菌基因組中發(fā)現(xiàn)的適應性免疫系統(tǒng)，由RNA 介導來抵擋外源核酸的入侵。1987年，日本大阪大學在研究大腸埃希菌的堿性磷酸酶同工酶時發(fā)現(xiàn)其基因組中存在一些串聯(lián)間隔重復序列［1］，后續(xù)研究表明這段序列在細菌和古細菌的基因組中廣泛存在，2002年被正式命名為CRISPR［2］。本文介紹了1 類中的Ⅰ型CRISPR-Cas系統(tǒng)近幾年的研究成果和應用，主要是其基因簇組成和Cas蛋白的異同點，以及從結構的角度詳細闡述Ⅰ型系統(tǒng)中效應復合物的組裝模式以及特異性識別底物并招募Cas3 蛋白的R-loop 機制，分子作用方式與目前應用最廣泛的CRISPR-Cas9 系統(tǒng)相比有很大不同。另外，對Ⅰ型CRISPR-Cas 系統(tǒng)在基因編輯領域的應用進行了總結。相比Cas9蛋白，Cas3 的長片段DNA 降解功能更有利于進行大范圍的基因組功能研究，效應復合物的靶向性可用于融合調控蛋白來調節(jié)基因的表達，同時CRISPR 陣列的特性便于多基因同時編輯，具有填補當前基因編輯領域空白的潛力。

1 CRISPR-Cas系統(tǒng)及其分類命名

1.1 CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫過程

CRISPR-Cas 基因簇包含儲存外源核酸序列信息的CRISPR 基因座以及編碼不同功能蛋白的cas基因。CRISPR 基因座是一段由前導序列、重復序列和間隔序列組成的簇狀規(guī)則間隔的短回文重復片段。前導序列是CRISPR 基因座的啟動子，轉錄重復序列和間隔序列，但不翻譯為蛋白；長度相近的間隔序列則是來源于噬菌體、質粒、轉座酶基因或內源性的有害核酸片段等；……