在一项新的研究中，来自丹麦诺和诺德基金会生物可持续性研究中心(DTU)的研究人员发现了四种新分布在不同环境中的抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR protein)。他们指出一些抗CRISPR蛋白在自然界中要比之前预期的更为广泛地存在。这些抗CRISPR蛋白在未来能够潜在地用于调节CRISPR-Cas9系统的活性。相关研究结果于2019年2月5日在线发表在Cell Host & Microbe期刊上，论文标题为“Discovery and Characterization of Cas9 Inhibitors Disseminated across Seven Bacterial Phyla”。

CRISPR系统是细菌免疫系统，使得细菌能够以一种有针对性的方式抵抗感染它们的病毒(噬菌体)。鉴于CRISPR系统(特别CRISPR/Cas9)的可编程特性，它们当前正广泛地用于生命科学行业，并且有潜力提供突破性基因疗法、新型抗生素和疟疾疗法。

有趣的是，在病毒和细菌之间的进化军备竞赛中，噬菌体已进化出抗CRISPR蛋白来克服细菌CRISPR系统。这些蛋白可快速地抑制宿主细菌的防御系统，从而使得细菌易受感染。

尽管抗CRISPR蛋白具有显著的生物学重要性，但到目前为止，仅在非常特定的细菌亚群中发现了少数抗CRISPR蛋白。当前已知的抗CRISPR蛋白在自然界中并不大量存在，而且已通过研究能够感染携带CRISPR-Cas9的细菌的噬菌体中的DNA鉴定出。当使用这种方法时，人们依赖于能够培养细菌以及能够感染它们并避免内源性CRISPR/Cas9系统监测的噬菌体。

论文第一作者、丹麦诺和诺德基金会生物可持续性研究中心博士后研究员Ruben Vazquez Uribe说，“我们采用了一种不同的方法：着重关注抗CRISPR功能活性，而不是DNA序列的相似性。这种方法让我们能够在不能在体外培养或者被噬菌体感染的细菌中找到抗CRISPR蛋白。这些结果是非常令人兴奋的。”

粪便样品含有抗CRISPR蛋白

这些研究人员通过使用来自四个人类粪便样本、两个土壤样本、一个奶牛粪便样本和一个猪粪便样本的总DNA来鉴定抗CRISPR基因。将这种DNA切成小片段并让它们在细菌细胞内的质粒上随机表达。这种细菌细胞含有用于筛选抗CRISPR活性的基因回路。简而言之，这意味着如果细菌细胞含有的质粒携带着潜在的抗CRISPR基因，那么它们就会对某种抗生素产生抗性。反之，如果细菌细胞含有的质粒没有抗CRISPR活性，那么它们就会死亡。

通过使用这种宏基因组文库方法，这些研究人员能够轻松地检测和筛选出具有抗CRISPR活性的DNA片段并追溯至其起源。最终，他们能够鉴定出能够抑制Cas9活性的11个DNA片段。随后，进一步的实验能够证实了四种新型抗CRISPR蛋白的活性。系统发育分析表明，这些在粪便样本中鉴定出的基因存在于多种环境中的细菌内，比如生活在昆虫肠道、海水和食物中的细菌。这表明这些新发现的基因在生命进化树的许多细菌分支中传播，并且在某些情况下有证据表明这些基因中的一些在进化过程中已发生多次水平转移。

论文通讯作者、丹麦诺和诺德基金会生物可持续性研究中心科学主任Morten Sommer教授说，“我们发现的抗CRISPR蛋白在自然界中如此丰富的事实表明它们是非常有用的，而且从生物学的角度来看具有重要意义。”

这些研究结果表明抗CRISPR蛋白可能在噬菌体与细菌宿主之间的相互作用中发挥的作用比之前提出的更大。

有用的基因组编辑开关

这个领域的早期研究已证实当在实验室中进行基因组编辑时，抗CRISPR蛋白可用于减少错误，比如在脱靶位点切割DNA。

Sommer说，“当前，大多数使用CRISPR-Cas9的科学家难以控制这种系统和脱靶活性。因此，抗CRISPR蛋白是非常重要的，这是因为你能够开启和关闭这种系统来测试它的活性。因此，这些新的抗CRISPR蛋白可能是非常有用的。”

实际上，这些研究人员发现这四种新的抗CRISPR蛋白似乎具有不同的特征和属性。展望未来，进一步研究将是非常令人期待的。