PNAS:利用CRISPR-Cas来鉴别基因组区域

　　来自北卡罗来纳州立大学的研究人员利用一种精密的“手术刀”，删除了细菌中一些不重要的目标基因组区域。这种策略也可用于阐明对细菌生存至关重要的一些基因区域。这为鉴别出核心和必不可少的基因组区域，除去非必要的区域，以及在混乱的基因缺失和基因获得中更好地了解细菌进化提供了一种快速、有效的方法。

　　

生物通报道  来自北卡罗来纳州立大学的研究人员在一项研究中利用一种精密的“手术刀”，删除了细菌中一些不重要的目标基因组区域。这种策略也可用于阐明对细菌生存至关重要的一些基因区域。这为鉴别出核心和必不可少的基因组区域，除去非必要的区域，以及在混乱的基因缺失和基因获得中更好地了解细菌进化提供了一种快速、有效的方法。

在发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上的一篇论文中，北卡罗来纳州立大学的研究人员利用了定制基因组编辑系统CRISPR-Cas的力量。CRISPR代表的是“成簇的、规律间隔的短回文重复序列”， Cas则指的是与CRISPR系统相关，以一种序列依赖性方式靶向及切割DNA的基因和对应蛋白质家族。这一系统赋予了研究人员在所有的生物体中编辑所需DNA序列，添加、删除、激活或抑制特异基因的能力；它对于医学、生物技术、食品和农业应用均具有重大的意义（延伸阅读：PNAS追溯CRISPR技术的前世今生 ）。

论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学食品科学副教授Rodolphe Barrangou说，细菌利用CRISPR-Cas作为一种自清防御机制和免疫系统来对抗诸如病毒、质粒和其他可移动遗传元件等有害的DNA入侵物。迄今为止研究人员已在许多生物体，包括植物、动物和人类的细胞中操控CRISPR-Cas编辑了DNA序列。

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在这项研究中，Barrangou和共同作者、食品科学著名教授Todd Klaenhammer，及博士生Kurt Selle一起检测了嗜热链球菌（Streptococcus thermophilus），确定了是否可以删除预测的4个重要的基因组岛，其中包括一个对于酸奶发酵至关重要的区域。嗜热链球菌是酸奶和意大利乳酪消费者每天食用的一种有益菌。

Barrangou说：“我们想要利用CRISPR手术刀来筛查出在嗜热链球菌中自然倾向于消失的区域。这是一个双赢的过程，因为可以利用这种筛查来靶向基因组任何的区域，实验会告诉你这一区域是否重要。”

研究人员利用CRISPR-Cas除去了这4个区域，包括包含奶利用基因的这一区域。“一旦这一区域被除去，细菌就不再能够保存奶，但细胞仍然活着。结果表明，这一区域是细菌生存非必要的，”Selle说。研究人员还惊喜地发现，切除掉包含奶利用基因的这一区域，可将基因组减少5%。除去所有4个区域则可将基因组减少7%。

研究人员说，还可以利用这一技术来作为模板研究任何感兴趣的细菌中必要和非必要的基因组区域——并且或许可以利用它来靶向细菌病原体和有益菌中一些令人讨厌的抗生素抗性基因。

Selle说：“细菌中散落着一些未知的基因——就像遗传暗物质一样。现在，我们可以更多地了解这些元件。”

Klaenhammer说：“这项研究工作揭示出了进化至保存食物的有益菌中发生的重大及广泛的基因组重排，在未来可以利用现有的一些基因组工具来扩大它们的发酵特性。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

'CRISPR-based screening of genomic island excision events in bacteria' Authors: Kurt Selle, Todd Klaenhammer and Rodolphe Barrangou, North Carolina State University Published: June 15, 2015, online in Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1508525112