Nature公布CRISPR的一种全新技术平台：促进细胞内特定基因进化

　　

生物通报道：生命如此之多样，令人惊叹。人类可以通过服用抗生素来阻止感染或利用酵母来酿造啤酒，我们正在享受自然进化的巧妙工艺。但是，如果自然界中没有我们想要的特性怎么办呢？

加州大学伯克利分校创新基因组学研究所的科学家们提出了一种可以利用自然进化力量的变革性新方法。David Schaffer和John Dueber领导的研究团队描述了CRISPR的另一个创造性应用：一种促进细胞内特定基因进化的平台。他们将这个新系统命名为“EvolvR”，EvolvR能帮助科学家们晃动他们靶标基因中的DNA，直到找到合适的突变。这种技术开辟了无数的可能性，如可以有效地将废物转化为生物燃料的工程酵母，或开发新的人类疗法。

这一研究成果公布8月1日的Nature杂志上。

“无限猴子定理”

想象让一只猴子坐在键盘上，随机的按键，当按键时间达到无穷时，猴子几乎必然能输入莎士比亚或者金庸的全部作品，这就是所谓的“无限猴子定理（infinite monkey theorem）”。

（EvolvR的“无限猴子定理”：猴子在CRISPR-Cas9的指导下输入遗传密码）

根据这一定理，自然DNA变异随着时间的推移，任何变化都能在不同个体生物的基因组中出现。理论上，在无限的时间内，遗传碱基的每一种可能的变异都将存在。然而，在实际的时间线上，只出现了很小的一部分。

那么，再想象一下，我们可以告诉猴子只敲击莎士比亚的麦克白这一页。这样猴子能更快的敲出这一页上的每种可能的突变，这就是EvolvR让帮助科学家们完成的事情。他们只想要单个基因的新突变，因此重写整个基因组是不切实际的，并且可能对活细胞有害。通过限制仅为一个基因，可以增加大量的变化。

打开“evolve”开关

EvolvR能帮助科学家在一天时间内就能完成整个基因的进化过程。该系统基于可编程DNA切割蛋白Cas9，研究人员将Cas9用在一种名为DNA聚合酶的酶上。Cas9能在生物体的DNA中找到特定的靶序列。EvolvR利用Cas9的一种特殊“切口”，只切割两条DNA链中的一条。这样Cas9切割出一个缺口，发出给DNA聚合酶的信号，补上新的DNA。这时聚合酶会产生错误，写入与原始DNA序列不同的DNA序列。

由于主要目标是多样性，因此聚合酶这种错误能带来益处：科学家可以利用EvolvR故意制造随机突变，创造数百万种不同的序列组合，从中至少发现一种具有他们想要的效果的序列组合。

不断发展的定向进化技术

这种方法是实现生物系统多样化的一种全新方式，为早期研究打开了新的大门。其他方法需要迫使大量随机化DNA片段文库进入细胞，这是耗时且昂贵的，并且并非所有细胞都能留住外部DNA。

EvolvR解决了之前方法的个缺点。“它不像许多其他技术那样需要双链断裂，”Dueber指出，“双链断裂对许多细胞来说都是有害的。它也不需要复杂的修复途径，因为这在许多有趣的生物体内都没有。”

因此，这一工具可以在任何物种中使用，研究团队将在后续的实验中验证这一点。

“EvolvR作为一种独立于物种的定向进化工具具有巨大的潜力，”Schaffer说，“它可以在DNA区域内进行单个突变或复合突变，长度从大约十几个到几百个碱基对。我们希望能制作一个适用于EvolvRs的工具包，从而构建具有更高突变率或影响更大的系统。有很多想法可以尝试。”

Halperin还指出了该系统的另一个关键优势。早期实验室的方法需要一些劳动密集型的选择循环。而EvolvR可以持续不断的，一遍又一遍地改变基因的序列再次创造更多成功机会。

更多的选择

预想的可能性太多了，因此EvolvR团队希望其他科学家能够加入进来。“我们很高兴其他人加入我们，利用这个工具并改进它，”Halperin说。同时他们也希望能加速生物分子的开发，用于人类治疗应用。

此外，令人兴奋的是将EvolvR与另一种受欢迎​​的CRISPR工具箱：high-throughput CRISPR screening结合在一起。这种强大的技术配对可以让科学家们在一次实验中得到数千种不同的基因多样化，创造出全新的功能，而不仅仅是打开和关闭基因。

原文标题：

CRISPR-guided DNA polymerases enable diversification of all nucleotides in a tunable window

http://www.nature.com/articles/s41586-018-0384-8