CRISPR-Cas的生物學(xué)優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)很清楚了。原核生物，包括細(xì)菌和古細(xì)菌（一類不太知名的單細(xì)胞生物，其中許多生活在極端環(huán)境中）都需要面對(duì)遺傳侵略者的不斷攻擊。病毒的數(shù)量可能比原核生物多出十倍，據(jù)說每?jī)商炷軞⑺廊澜缫话氲募?xì)菌。原核生物還會(huì)交換被稱為質(zhì)粒的DNA碎片，其中包括寄生生物，它們從宿主中獲取資源，如果宿主試圖驅(qū)逐它們，機(jī)體分子就會(huì)迫使其自毀。這世界上似乎沒有什么地方是安全的，從土壤到海洋，再到地球上最荒涼最不適合生存的地方，遺傳入侵者們一直都存在。

原核生物在進(jìn)化過程中已經(jīng)發(fā)展出了許多武器來應(yīng)對(duì)這些威脅。例如，在特定識(shí)別序列處或附近用于切割DNA的酶。但這些防御 并不靈敏，每種酶被需要編程才能識(shí)別某些序列，而且只有當(dāng)微生物具有正確基因的拷貝時(shí)才受到保護(hù)。CRISPR-Cas動(dòng)態(tài)性更強(qiáng)，這類似于人體抗體感染后 發(fā)展出的長(zhǎng)期免疫方式，能進(jìn)化和記住特殊的遺傳入侵者。

荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的微生物學(xué)家John van der Oost說：“我們首次聽說這個(gè)假說時(shí)，認(rèn)為這對(duì)于簡(jiǎn)單的原核生物來說太復(fù)雜了?！?/p>

Mojica等人從位于與病毒基因組有時(shí)匹配的CRISPR回文重復(fù)之間的DNA序列中，推導(dǎo)出CRISPR-Cas的功能。從那時(shí)起，研究人員就發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌和古細(xì)菌暴露于特定的病毒或質(zhì)粒后，某些CRISPR相關(guān)（Cas）蛋白會(huì)將這些間隔序列添加到基因組中。由這些間隔序列生成的RNA能指導(dǎo)其它Cas蛋白切斷所有匹配序列的入侵DNA或RNA。

那么細(xì)菌和古細(xì)菌如何出現(xiàn)這種復(fù)雜的免疫系統(tǒng)的呢？

這個(gè)問題還沒有答案，但多數(shù)人認(rèn)可的是，這個(gè)系統(tǒng)來自轉(zhuǎn)座子，也就是可以從基因組中的一個(gè)位置跳到另一個(gè)位置的“跳躍基因”。美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院的進(jìn)化生物學(xué)家Eugene Koonin在馬里蘭州貝塞斯達(dá)和他的同事發(fā)現(xiàn)了一類編碼蛋白Cas1的可移動(dòng)遺傳元件，Cas1參與間隔序列插入基因組的過程。這些“casposons（轉(zhuǎn)座子元件，生物通注）”可能就是CRISPR-Cas免疫的起源。研究人員現(xiàn)在正在努力了解這些DNA如何從一個(gè)地方跳到另一個(gè)地方，之后他們還會(huì)追蹤這種機(jī)制如何演化成復(fù)雜的CRISPR-Cas機(jī)制的。

近年來的一些研究已經(jīng)解釋了關(guān)于Cas蛋白如何添加到間隔序列中的許多分子細(xì)節(jié)，但是病毒DNA在化學(xué)上幾乎與宿主DNA相同。那么在包裝有DNA的細(xì)胞中，蛋白如何指導(dǎo)是哪些DNA添加到了CRISPR-Cas“記憶”中？

這種風(fēng)險(xiǎn)很高：如果一種細(xì)菌不小心添加了一種自己的DNA，它可能會(huì)通過自身免疫自殺。正如立陶宛維爾紐斯大學(xué)的生物化學(xué)家Virginijus Siksnys所說的：“這些酶是一把雙刃劍?！?/p>

來自北卡羅來納州立大學(xué)的微生物學(xué)家 Rodolphe Barrangou認(rèn)為，這可能是因?yàn)榧?xì)菌和古細(xì)菌的龐大群體能承受一些錯(cuò)誤：一些細(xì)胞自殺可能無關(guān)緊要，只要其它細(xì)胞可以在病毒攻擊后繼續(xù)茁壯成長(zhǎng)就行。

事實(shí)上，當(dāng)病毒入侵一個(gè)細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，通常1000萬個(gè)細(xì)菌中只有大約一個(gè)細(xì)菌能正確獲得一個(gè)間隔序列用以自衛(wèi)。可能性 這么低，因此針對(duì)驅(qū)動(dòng)間隔序列的因素進(jìn)行研究很困難。

同樣，要了解為什么只有這個(gè)細(xì)胞能夠成功也很困難。“在實(shí)際發(fā)生時(shí)很難捕獲這個(gè)‘成功的’細(xì)菌，”洛克菲勒大學(xué)微生物學(xué)家Luciano Marraffini解釋道。

尋找確定合適間隔序列的方法，并提高它們的整合速率，將會(huì)有助于解開這個(gè)謎題。一些研究表明包含有CRISPR-Cas機(jī)制的細(xì)胞或許將其作為一種記錄裝置，對(duì)它們所遇到的DNA和RNA序列進(jìn)行分類。這也許同樣也能讓研究人員追蹤一段時(shí)間內(nèi)接觸環(huán)境化學(xué)物質(zhì)后細(xì)胞的基因表達(dá)。

此外研究人員還希望能了解如何修剪舊的記憶，大多數(shù)帶有CRISPR-Cas系統(tǒng)的微生物都含有幾十個(gè)間隔序列，也有的只有一個(gè)。相反，古細(xì)菌Sulfolobus tokodaii則擁有5個(gè)CRISPR-Cas系統(tǒng)，包括458個(gè)間隔序列，占用了其基因組的1％之多?？雌饋砗孟駴]有必要一直保留舊的間隔Spacer，因?yàn)槿绻《就ㄟ^突變以逃避CRISPR-Cas，那么間隔序列就會(huì)過時(shí)。而且保留額外的DNA可能會(huì)成為微生物的負(fù)擔(dān)?！耙环N細(xì)菌不能無限制地?cái)U(kuò)張其基因組，”以色列魏茨曼科學(xué)研究所遺傳學(xué)家Rotem Sorek說。