許多古生菌（Archaea）都存在CRISPR系統(tǒng)，用于保護自身免于病毒的攻擊。它們會利用天然的Cas蛋白質(zhì)，用于“撕碎”入侵的病毒DNA。其中，最主流的Cas酶是基礎(chǔ)版釀膿鏈球菌Cas9酶（SpCas9）。
隨著研究的深入，科學家們還找到其他成員：靶向RNA的基因編輯酶C2c2（Cas13a）、靶CasRx（Cas13d）以及有任意切割單鏈DNA潛能的Cas12a（Cpf1）。此外，還有Cas14，迄今為止最小版的Cas蛋白。
Cas14
盡管研究人員一直在尋找可以添加到“基因編輯工具箱”中的Cas蛋白，但是Cas14卻被忽視了。因為相比于其他Cas酶，它太小了，以至于被認為不能與其他蛋白協(xié)同工作。
來自加州大學伯克利分校的CRISPR “女神”Jennifer Doudna及其團隊卻沒有放棄它。他們篩選了數(shù)萬個基因組（來源于各種環(huán)境樣本的宏基因組測序結(jié)果），從中發(fā)現(xiàn)了Cas14。
Doudna團隊認為，Cas14具有作為生物技術(shù)工具的潛力。正是因為體積小，Cas14有望在小細胞或某些病毒中發(fā)揮基因編輯的作用。但是，考慮到其切割單鏈DNA的活性，Cas14更有可能應(yīng)用于CRISPR快速診斷系統(tǒng)，用于診療傳染病、基因突變和癌癥。
最新發(fā)現(xiàn)
Cas蛋白會在gRNA的指引下與特定DNA結(jié)合，并對其剪切。通常，Cas酶相對較大（950-1400個氨基酸，SpCas9蛋白由1,368個氨基酸組成），但是Cas14特別精致，僅有400-700個氨基酸。
“雖然Cas14蛋白體積小，但是它能夠在沒有限制性序列要求的情況下進行定向單鏈DNA（ssDNA）切割。此外，Cas14的目標識別會帶來ssDNA分子的非特異性切割，這是一種能夠?qū)崿F(xiàn)高保真SNP基因分型（Cas14-DETECTR）的活動。”研究人員解釋道。
而且，Cas14與Cas12a、Cas13a相似，在與目標DNA序列結(jié)合后，開始不加區(qū)別地切割細胞內(nèi)的所有單鏈DNA。相比之下，Cas9只結(jié)合并切割目標DNA。也就是說，Cas14和Cas12a一樣，具有靶向依賴性的非特異性脫氧核糖核酸酶活性。
用途：即時診斷
值得一提的是， Doudna團隊曾重點分析過Cas12a，首次發(fā)現(xiàn)這一酶可以對所有的單鏈DNA進行任意切割?；谶@一特點，Doudna團隊開發(fā)了一種診斷系統(tǒng)——DNA endonuclease-targeted CRISPR trans reporter，DETECTR，用于對臨床樣本中的少量DNA進行快速、簡便地即時檢測，適用于癌癥和傳染病等用途。相關(guān)研究成果于今年2月發(fā)表在《Science》期刊上。
現(xiàn)在，這一篇最新研究為DETECTR增添了新的“利器”：與Cas12a一樣，Cas14同樣可以用于核酸檢測。
雖然肆意切割DNA在治療上可能是一個缺點，但是對于診斷而言卻是一個很大的優(yōu)勢。Cas14蛋白可以與附著在單鏈DNA上的熒光標記物配對。當Cas14與目標DNA（可以是癌癥基因，也可以是細菌基因）序列結(jié)合并開始切割DNA時，它也會切斷與標記物連接的DNA，產(chǎn)生熒光信號。
“與Cas12相比，Cas14靶向單鏈DNA的方式要更特別。”文章作者 Janice Chen表示道，“這是一個出乎意料的發(fā)現(xiàn)。因為它很小，我們幾乎不認為它能工作，但實際上，它是超特異性的，這使它成為診斷工具箱中真正強大的補充。”
完善CRISPR隊伍
“對于分子診斷，我們希望可以識別雙鏈DNA、單鏈DNA和RNA。” Doudna團隊的研究生Lucas Harrington表示道，“Cas12a非常擅長靶向雙鏈DNA，Cas13則擅長RNA識別，現(xiàn)在識別單鏈DNA的Cas14的加入讓隊伍更完善了。”
研究人員認為，體積較小的Cas14似乎是更大、更復雜的Cas9和Cas12a蛋白質(zhì)的更原始版本。這意味著，這些分子在經(jīng)歷漫長的進化后，變得更加專門化。
他們希望，從這些天然的Cas酶中設(shè)計出更為精致、高效的基因編輯器。“借助于宏基因組測序技術(shù)，我們挖掘了40多種CRISPR-Cas14系統(tǒng)和8種不同的亞型，這為研究新的CRISPR系統(tǒng)提供了線索。” Lucas Harrington總結(jié)道。
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