约翰·霍普金斯大学 左图——CRISPR-Cas9系统在细菌中使用的长形式tracrRNA示意图；对——许多科学家使用的标准指导RNA，作为基因切割CRISPR-Cas9系统的一部分
学分:约书亚·莫德尔，雷切尔·沃克曼和约翰·霍普金斯医学院 在一系列实验室培养细菌的实验中，约翰·霍普金斯大学的科学家发现了证据，证明广泛使用的基因切割系统CRISPR-Cas9还有第二个作用——作为CRISPR-Cas9基因的基因调光开关
其下调或减弱CRISPR-Cas9活性的作用可能有助于科学家开发新的方法，为研究目的对细胞进行基因工程改造
调查结果的摘要于1月16日公布
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1987年首次在肠道细菌基因组中发现，CRISPR-Cas9是一组自然存在但不寻常的基因，25年后发现它有可能在其他类型的细胞中切割DNA序列
它在基因工程中的价值——包括人类细胞在内的活细胞中的可编程基因改造——迅速得到认可，它作为基因组“编辑”在全球数千个实验室中的广泛应用，在去年将其诺贝尔化学奖授予美国和法国的共同开发者时得到了认可
CRISPR代表聚集的、有规律间隔的短回文重复序列
Cas9指的是CRISPR相关蛋白9，是制造DNA切片的酶的名称
约书亚·莫德尔博士说，细菌自然使用CRISPR-Cas9来切割病毒或其他潜在的有害脱氧核糖核酸，并消除威胁
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约翰·霍普金斯大学医学院分子生物学和遗传学助理教授
在这个角色中，Modell说，“CRISPR不仅仅是一个免疫系统，它是一个适应性免疫系统——一个可以通过抓住他们的一小段DNA来记住它以前遇到的威胁的系统，这类似于一张面部照片
这些脸部照片随后被复制到“向导核糖核酸”中，告诉卡斯9切什么
科学家们长期致力于解开CRISPR-Cas9机制的精确步骤，以及它在细菌中的活性是如何上调或下调的
约翰·霍普金斯大学的科学家们正在寻找能点燃或抑制普通链球菌——化脓性链球菌——的CRISPR-Cas9基因切割系统的基因，并找到了该系统工作原理的线索
具体来说，科学家在CRISPR-Cas9系统中发现了一个基因，当该基因失活时，会导致该系统在细菌中的活性急剧增加
这种基因的产物似乎对Cas9进行了重新编程，使其充当制动器，而不是“剪刀”，来下调CRISPR系统
“从免疫的角度来看，细菌需要提高CRISPR-Cas9的活性来识别和清除细胞中的威胁，但它们也需要降低CRISPR-Cas9的活性来避免自身免疫——当免疫系统错误地攻击细菌本身的成分时，”在Modell实验室工作的细菌学家、研究生Rachael Workman说
为了进一步确定“刹车”的细节，研究小组的下一步是更好地理解失活基因的产物
核糖核酸是脱氧核糖核酸的基因表亲，对执行脱氧核糖核酸制造蛋白质的“指令”至关重要
TracrRNAs属于一个独特的不制造蛋白质的RNA家族
相反，它们充当一种支架，允许Cas9酶携带包含脸部照片的引导RNA，并切割入侵病毒中匹配的DNA序列
TracrRNA有两种大小:长的和短的
大多数现代基因切割工具都使用缩写形式
然而，研究小组发现失活的基因产物是长形式的tracrRNA，其功能完全未知
tracrRNA的长型和短型在结构上是相似的，并且具有与Cas9结合的能力
短形式的转录核糖核酸也与导向核糖核酸结合
然而，长形式的转录核糖核酸不需要与导向核糖核酸结合，因为它包含一个模拟导向核糖核酸的片段
“本质上，长型转录核糖核酸结合了短型转录核糖核酸和导向核糖核酸的功能，”莫德尔说
此外，研究人员发现，虽然引导核糖核酸通常寻找病毒的脱氧核糖核酸序列，但长形式的跟踪核糖核酸以CRISPR-Cas9系统本身为目标。
长形式的转录核糖核酸往往位于脱氧核糖核酸上，而不是切割它
当这种情况发生在基因的某个特定区域时，它会阻止该基因的表达，或使其失去功能
为了证实这一点，研究人员使用基因工程来改变长型转录核糖核酸中某个区域的长度，使转录核糖核酸看起来更像一个指导核糖核酸
他们发现，随着长型转录核糖核酸的改变，Cas9再次表现得更像一把剪刀
其他实验表明，在实验室培养的细菌中，含有大量的长型tracrRNA，所有CRISPR相关基因的水平都非常低。
然而，当从细菌中去除长型tracrRNA时，CRISPR-Cas9基因的表达增加了一百倍
在实验室中培养缺乏长型tracrRNA的细菌细胞三天，并与含有长型tracrRNA的类似培养细胞进行比较
实验结束时，没有长型tracrRNA的细菌已经完全死亡，这表明长型tracrRNA通常可以保护细胞免受CRISPR-Cas9活性非常高时发生的疾病和死亡
沃克曼说:“我们开始有了这样的想法，长形体在抑制而不是消除它自己的CRISPR相关活动。”
为了观察长型转录核糖核酸是否可以被重新编程以抑制其他细菌基因，研究小组改变了长型转录核糖核酸的间隔区，使其位于产生绿色荧光的基因上
具有这种突变形式的长型转录核糖核酸的细菌比含有正常长型转录核糖核酸的细菌发出的绿光要少，这表明长型转录核糖核酸可以通过基因工程来下调其他细菌基因
另一个来自埃默里大学的研究小组发现，在寄生细菌新奇达弗朗西斯菌中，Cas9对CRISPR-Cas9区域以外的基因起着调光开关的作用
约翰·霍普金斯研究中的CRISPR-Cas9系统被科学家更广泛地用作基因切割工具，约翰·霍普金斯团队的发现提供了证据，表明除了其他基因之外，调光作用还控制CRISPR-Cas9系统
研究人员还在大约40%的链球菌属细菌中发现了长型核糖核酸的遗传成分
沃克曼说，对不具有长形式转录核糖核酸的细菌菌株的进一步研究，将有可能揭示它们的CRISPR-Cas9系统是否完整，以及细菌可能回拨CRISPR-Cas9系统的其他方式。
莫德尔说，实验发现的模糊能力为设计新的或更好的CRISPR-Cas9工具提供了机会，这些工具旨在为研究目的调节基因活性
“在基因编辑的情况下，除了使用长形式的转录核糖核酸来抑制基因活性之外，研究人员可能还想切割特定的基因，”他说
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