CRISPR与原核防御

原核生物通过限制-修饰系统到CRISPR-Cas的适应性免疫等多种机制，抵御病毒和外源DNA的入侵。CRISPR-Cas也已成为基因组编辑的变革性工具。

Definition

原核防御系统是细菌和古细菌识别并中和噬菌体及其他外源遗传元件的分子机制，包括限制-修饰系统和CRISPR-Cas适应性免疫系统。

Scope

本主题涵盖了限制-修饰系统，该系统在切割外源DNA的同时保护细胞自身的DNA；CRISPR阵列和Cas蛋白的结构与功能；CRISPR适应性免疫的阶段，即获取、表达和干扰；以及原核生物抗病毒防御的更广泛图景。它还探讨了CRISPR-Cas如何被改造用于可编程基因组编辑。

Core questions

• 原核生物如何区分自身DNA和外源DNA？
• CRISPR-Cas如何提供针对噬菌体的适应性免疫？
• CRISPR免疫的阶段有哪些？
• CRISPR-Cas是如何被改造为基因组编辑工具的？

Key concepts

• 限制-修饰系统
• CRISPR阵列和间隔区
• Cas蛋白
• 获取、表达和干扰
• 基于CRISPR的基因组编辑

Key theories

CRISPR适应性免疫

由过去入侵者衍生的间隔序列（spacer sequences）间隔开的成簇重复序列，以及相关的Cas蛋白，使原核生物能够记录并靶向外源核酸，构成了一种适应性免疫系统。

Mechanisms

限制-修饰系统利用限制酶切割未甲基化的外源DNA，同时甲基转移酶将宿主基因组标记为自身。CRISPR-Cas系统将入侵DNA的短片段捕获为重复阵列中的间隔区（spacer）；这些间隔区被转录并加工成引导RNA，引导Cas核酸酶在再次感染时识别并切割匹配序列，从而提供基于记忆的防御。

Clinical relevance

除了在微生物防御中的自然作用，限制酶已成为重组DNA技术的基础工具，而CRISPR-Cas系统已被改造为广泛应用于生命科学领域的基因组编辑平台。

History

限制酶于20世纪中叶被发现，并成为分子克隆的重要工具。21世纪初，细菌基因组中发现了成簇的重复序列，并将其命名为CRISPR；随后的研究揭示了它们在适应性免疫中的作用，从而促成了CRISPR-Cas基因组编辑技术的发展。

Key figures

• Werner Arber
• Francisco Mojica

Seminal works

• jansen2002
• madigan2018

Frequently asked questions

CRISPR天然是一种防御系统还是编辑工具？

CRISPR-Cas在细菌和古细菌中演化为一种适应性免疫系统，用于抵御噬菌体和其他外源DNA。研究人员后来将其靶向机制改造为一种可编程工具，用于编辑多种生物的基因组。