利用CRISPR-Cas9可以非常簡單地、多用途地和可靠地修飾多種有機體中的DNA。這是因為自從它的發(fā)現(xiàn)以來，全世界的科學(xué)家們一直在努力進一步改進或調(diào)整CRISPR-Cas9系統(tǒng)以便滿足他們各自的特定需要。因此，人們很難想象在不使用CRISPR-Cas9的情形下如何對遺傳物質(zhì)進行基因編輯。 如今，在一項新的研究中，來自德國馬克斯普朗克感染生物學(xué)研究所、亥姆霍茲傳染病研究中心和瑞典優(yōu)密歐大學(xué)（Ume? University）的研究人員描述了酶Cas9的一種潛在替代者---來自土拉熱弗朗西絲菌（Francisella novicida）的CRISPR結(jié)合蛋白Cpf1---的特征：Cpf1表現(xiàn)出雙重切割活性：不僅切割DNA，而且也切割RNA。與CRISPR-Cas9不同的是，Cpf1能夠獨自地對crRNA前體（pre-crRNA，編者注：CRISPR DNA片段經(jīng)轉(zhuǎn)錄而形成的CRISPR RNA前體）進行加工，然后利用加工后產(chǎn)生的crRNA特異性地靶向和切割DNA，因而也就不需要來自宿主細胞的核糖核酸酶（RNase）和tracrRNA，這是人們迄今為止發(fā)現(xiàn)的一種最簡單的CRISPR免疫系統(tǒng)。這一發(fā)現(xiàn)可能給科學(xué)家們提供一種新的序列特異性基因組編輯方法，更為重要的是，還可能便于一次對多種靶位點進行編輯，即所謂的多重編輯。相關(guān)研究結(jié)果于2016年4月20日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“The CRISPR-associated DNA-cleaving enzyme Cpf1 also processes precursor CRISPR RNA”。論文通信作者為來自馬克斯普朗克感染生物學(xué)研究所的Emmanuelle Charpentier。 CRISPR-Cas是細菌免疫系統(tǒng)的一部分，被用來抵抗病毒感染。在CRISPR-Cas9系統(tǒng)中，酶Cas9在病毒DNA靶位點上進行切割，其中這種靶位點是這樣確定的：一種被稱作CRISPR RNA（crRNA）的RNA分子利用它的一部分序列與另一種被稱作tracrRNA的RNA分子通過堿基配對結(jié)合在一起，形成嵌合RNA（tracrRNA/crRNA），然后，借助crRNA的另一部分序列與靶DNA位點進行堿基配對，以這種方式，這種嵌合RNA就能夠引導(dǎo)Cas9結(jié)合到這個靶位點上并進行切割，也因此這種嵌合RNA也被稱作向?qū)NA（guide RNA, gRNA）。細菌就利用這種工作機制阻止病毒感染。 2011年，Emmanuelle Charpentier和她的同事們描述這個CRISPR-Cas9系統(tǒng)由兩種形成RNA雙鏈的RNA分子---tracrRNA和pre-crRNA，其中tracrRNA 對crRNA前體進行加工，讓后者變成成熟的crRNA---和蛋白Cas9（之前被稱作Csn1）組成的（Nature, 31 March 2011, doi:10.1038/nature09886）。一年之后，Emmanuelle Charpentier和同事們證實tracrRNA和crRNA作為兩種向?qū)NA（gRNA）或者融合在一起形成單向?qū)NA（single guide RNA, sgRNA）是特異性地引導(dǎo)酶Cas9結(jié)合到靶DNA序列上所必需的（Science, 17 Aug 2012, doi: 10.1126/science.1225829）。 從那以后，CRISPR-Cas9被全世界眾多實驗室所采用?？茖W(xué)家和臨床醫(yī)生都對它抱有巨大的希望。臨床醫(yī)生希望利用它治愈嚴重的遺傳病。 Charpentier說，“盡管CRISPR-Cas9看起來比較簡單，但是它的詳細作用機制是相當精細的?！痹赾rRNA分子能夠?qū)as9引導(dǎo)到切割位點之前，初始產(chǎn)生的crRNA前體必須在核糖核酸酶（RNase）的作用下轉(zhuǎn)變成成熟的crRNA，這樣功能性的crRNA就產(chǎn)生了。其中一種核糖核酸酶就是RNase III。2011年，Charpentier發(fā)現(xiàn)這種酶與tracrRNA一道參與成熟crRNA的產(chǎn)生。 一種最簡單的CRISPR系統(tǒng) 如今，研究人員發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)一些細菌的免疫防御系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上要比CRISPR-Cas9更加簡單。除了Cas9之外，這些細菌利用酶Cpf1切割外源DNA。這項研究證實Cpf1能夠切割RNA和DNA。Cpf1首先移除crRNA前體的部分序列，輔助后者產(chǎn)生成熟的crRNA。因此，諸如RNase III之類的其他酶是不需要的。成熟的crRNA然后引導(dǎo)Cpf1結(jié)合到DNA的靶序列上。 因此，Cpf1具有雙重功能：它對crRNA進行加工讓后者能夠發(fā)揮功能，然后在特異性的序列上切割靶DNA。此外，不同于Cas9，Cpf1并不需要tracrRNA分子的幫助結(jié)合到靶序列上。因此，它在結(jié)構(gòu)上比CRISPR-Cas9更加簡單。Charpentier解釋道，“CRISPR-Cpf1是一種即插即用的系統(tǒng)，不再需要其他的組分。相反，在自然環(huán)境中，CRISPR-Cas9系統(tǒng)需要其他的助手來加以激活?！?/p> Charpentier說，“考慮到真核生物的基因編輯仍然有待闡明，相比于CRISPR-Cas9系統(tǒng)，CRISPR-Cpf1系統(tǒng)是否夠能夠提供任何顯著的額外益處[，這有待進一步探究]。然而，觀察進化是如何成功地產(chǎn)生一種極其簡單但又有效的免疫系統(tǒng)抵抗入侵的病毒將是令人吃驚的?？赡茉谖磥磉€有更多這樣的系統(tǒng)在自然中發(fā)現(xiàn)，對它們的搜索已經(jīng)在如火如荼地開展?！?/p> 另外，我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院黃志偉教授團隊解析出Cpf1結(jié)合crRNA時的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了CRISPR-Cpf1識別crRNA以及Cpf1剪切pre-crRNA的分子機制，發(fā)現(xiàn)Cpf1在沒有crRNA結(jié)合的狀態(tài)下處于松散的構(gòu)象，crRNA的結(jié)合引起Cpf1發(fā)生顯著的構(gòu)象變化（Nature, doi: 10.1038/nature17944）。
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