2024年6月4日发(作者：)

CRISPR-Cas系统：细菌的免疫武器和人类的基因工具

文章内容：

细菌是地球上最古老、最多样、最广泛的生命形式之一，它们在自然界中与各种

生物和环境因素进行着复杂的相互作用。其中，细菌与噬菌体（一种专门感染细

菌的病毒）之间的斗争尤为激烈，噬菌体每年可以杀死约一半的海洋细菌。为了

抵抗噬菌体的入侵，细菌进化出了一套精妙的免疫系统，称为CRISPR-Cas系统，

它可以识别和切割外来的DNA或RNA，从而保护细菌的基因组完整性。

CRISPR-Cas系统的发现可以追溯到1987年，当时日本的研究人员在大肠杆菌的

基因组中发现了一些重复的DNA序列，它们之间由一些非重复的DNA序列隔开，

这些非重复的DNA序列被称为间隔序列（spacer）。后来，人们发现这些间隔序

列其实是噬菌体或其他外源DNA的片段，它们被细菌捕获并插入到自己的基因组

中，形成了一种遗传记忆，可以帮助细菌识别和清除同源的入侵者。这些重复和

间隔序列的组合被称为CRISPR（Clustered regularly interspaced short

palindromic repeats），即规律成簇的短回文重复序列。CRISPR序列通常位于

一些编码核酸酶的基因附近，这些基因被称为Cas（CRISPR-associated genes），

即CRISPR相关基因。CRISPR和Cas共同构成了CRISPR-Cas系统，它是细菌的

一种适应性免疫系统，可以根据外来DNA的变化而调整自身的防御策略。

CRISPR-Cas系统的工作原理大致可以分为三个阶段：获取、表达和干扰。在获取

阶段，当细菌遭遇外来DNA时，Cas蛋白会将外来DNA的一小段片段切割下来，

并将其插入到CRISPR序列的末端，形成新的间隔序列。这样，细菌就获得了针

对外来DNA的特异性信息。在表达阶段，CRISPR序列会被转录成前CRISPR RNA

（pre-crRNA），然后在Cas蛋白的作用下，被切割成多个成熟的CRISPR RNA

（crRNA），每个crRNA包含一个间隔序列和一个重复序列。在干扰阶段，crRNA

会与Cas蛋白形成复合物，根据crRNA上的间隔序列，去寻找和切割与之互补的

外来DNA或RNA，从而阻止外来DNA或RNA的复制和表达，达到免疫的目的。

根据Cas蛋白的种类和结构，CRISPR-Cas系统可以分为两大类，每一类又可以

细分为几个类型和亚型。第一类CRISPR-Cas系统的效应复合物是由多个Cas蛋

白组成的，可以切割DNA或RNA。这一类系统包括Type I、Type III和Type IV。

其中，Type I系统是最常见的，它的效应复合物包括一个Cas3蛋白，它有两个

功能：一是解开DNA的双链，二是切割DNA的一条链。Type III系统是最复杂

的，它的效应复合物包括一个Cas10蛋白，它有三个功能：一是切割DNA的两条

链，二是切割RNA，三是合成一种信号分子，叫做cOA，它可以激活其他的Cas

蛋白，从而调节细胞的代谢和抵抗病毒。Type IV系统是最神秘的，它的功能和

机制还不清楚，但是它可能和质粒的维持和竞争有关。

第二类CRISPR-Cas系统的效应复合物是由单个Cas蛋白和crRNA组成的，可以

切割DNA或RNA。这一类系统包括Type II、Type V和Type VI。其中，Type II

系统是最著名的，它的效应复合物是Cas9蛋白，它可以切割DNA的两条链。Cas9

蛋白还需要另一种RNA，叫做tracrRNA，它可以帮助crRNA的加工和稳定。人们

可以将crRNA和tracrRNA合成一个单链的sgRNA，用来指导Cas9蛋白进行基因

编辑。Type V系统是最新发现的，它的效应复合物是Cas12蛋白，它也可以切

割DNA的两条链，但是它不需要tracrRNA，只需要crRNA。Type VI系统是最特

殊的，它的效应复合物是Cas13蛋白，它只能切割RNA，而且它有一个特点，就

是当它找到靶向RNA后，它会变得非常活跃，切割所有的RNA，这就相当于细胞

的自杀机制，可以防止病毒的传播。

CRISPR-Cas系统最初是作为细菌的免疫武器被发现的，但是它的修改或修饰遗

传成分的能力已经带来了各种实际应用，特别是在遗传疾病治疗、疾病相关基因

的筛选和检测、肿瘤治疗、动植物转化以及病原微生物的预防等领域具有巨大的

潜力，可以有效改善人类的生活质量。CRISPR-Cas系统的发展和应用也带来了

一些伦理和社会问题，如基因编辑的安全性、可控性、公平性和合法性等，这些

问题需要科学家、政府、社会和公众共同参与和讨论，以确保CRISPR-Cas系统

的科学和社会价值得到充分发挥。