神奇的基因剪刀：利用CRISPR-Cas12a编辑铜绿假单胞菌噬菌体基因组

什么是CRISPR-Cas12a系统？

CRISPR-Cas系统是一种原核生物适应性免疫机制，用于清除外源的核酸，从而在原核生物中获得抵抗病毒的能力。CRISPR/Cas12属于2类V型RNA引导的核酸内切酶。该蛋白家族中研究较多是Cas12a核酸酶，目前最常用的Cas12a蛋白来自氨基酸球菌属的BV3L6菌株和毛螺科细菌(LbCas12a)。Cas12a蛋白由向导RNA引导剪切带有特异性序列的双链DNA(dsDNA)，尤其在基因编辑中该蛋白展现出了极大的潜力，可以说这是一把神奇的基因剪刀。

来源：参考文献2

为什么要编辑噬菌体基因组？

噬菌体，这是一种专门感染细菌的病毒，具有宿主特异性，这种存在可以控制环境中病原体的数量。噬菌体通过特异性识别机制吸附宿主后将自己的核酸注入宿主细胞，通过宿主的核酸复制系统来产生大量噬菌体并使宿主细胞破裂。通过CRISPR-Cas12a系统编辑噬菌体基因组，可以删除掉其中的非必需基因，这些基因对于噬菌体发育是不必要的。通过去除非必需基因来创造空间，以更好地利用噬菌体来制造重组疫苗或携带药物靶向分子，同时简化噬菌体基因组可以提高噬菌体的杀菌活性。

CRISPR-Cas12编辑噬菌体基因组

铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种革兰氏阴性、条件致病菌，广泛存在于水、土壤和人类环境中。铜绿假单胞菌是最常见的机会性院内病原体之一，可引起一系列感染，包括肺炎、尿路和皮肤感染。然而，这种细菌对抗生素的耐药性日益增加已成为一个重要的临床问题。特别是，耐碳青霉烯类铜绿假单胞菌的出现使抗生素治疗复杂化。噬菌体在控制病原菌耐药性方面有极好的前景。

Chen等人设计了一个 V 型 CRISPR-Cas12a 系统，用于铜绿假单胞菌噬菌体的基因编辑。研究人员首先在体外评估了 CRISPR-Cas12a 系统的主动切割功能，发现它在三种不同的铜绿假单胞菌噬菌体中具有比 II 型 CRISPR-Cas9 系统更高的基因切割效率。此外，还证明了该系统能够精确编辑大肠杆菌噬菌体、沙门氏菌噬菌体和铜绿假单胞菌噬菌体中的基因，结果表明该系统在这些噬菌体的不同靶位点表现出不同的切割效率。通过使用该系统，可以有效地删除非必需的铜绿假单胞菌噬菌体基因，从而减少高达 5,215 bp （7.05%）。这项研究提供了一种快速、高效且省时的工具，可加速噬菌体工程的进展。

图1 简化噬菌体基因组的示意图（来源：参考文献2）

总结：噬菌体能特异性的抑制病原菌的数量，通过CRISPR-Cas12a系统可以简化噬菌体基因组，进而提高噬菌体的杀菌活性以及利用噬菌体开发新的药物。该系统在未来可以助力工程化噬菌体的生产，进一步推动噬菌体产业发展。

参考来源：

[1]王炀坤,纪世新,苏莹莹,等.基因编辑工具CRISPR-Cas9与CRISPR-Cas12a的比较与应用[J].长春师范大学学报,2023,42(12):107-112.

[2]Chen, Y., B. Yan, W. Chen, X. Zhang, Z. Liu, Q. Zhang, L. Li, M. Hu, X. Zhao, X. Xu, Q. Lv, Y. Luo, Y. Cai and Y. Liu (2024). "Development of the CRISPR-Cas12a system for editing of Pseudomonas aeruginosa phages." iScience 27(7): 110210.