突變是基因組進(jìn)化的基礎(chǔ)。舉例來說，現(xiàn)有序列經(jīng)過重復(fù)和加倍可以形成更大的基因組。卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的科學(xué)家們用自己開發(fā)的CRISPR/Cas系統(tǒng)揭示了基因組進(jìn)化的重要機(jī)制。他們在美國國家科學(xué)院院刊PNAS雜志上發(fā)表文章指出，修復(fù)彼此相對(duì)的單鏈DNA斷裂會(huì)引起序列重復(fù)。

細(xì)菌一直在與病毒或入侵核酸進(jìn)行斗爭，為此它們演化出了多種防御機(jī)制，CRISPR-Cas適應(yīng)性免疫系統(tǒng)就是其中之一。規(guī)律成簇的間隔短回文重復(fù)CRISPR與內(nèi)切酶Cas的組合，可以在引導(dǎo)RNA的指引下，靶標(biāo)并切割入侵者的遺傳物質(zhì)。2012年研究者們利用這一特點(diǎn)，將CRISPR系統(tǒng)發(fā)展成了強(qiáng)大的基因組編輯工具。該系統(tǒng)使用簡單而且擴(kuò)展性強(qiáng)，很快便成為了生物學(xué)領(lǐng)域的香餑餑。

研究人員構(gòu)建了能夠剪切DNA單鏈的CRISPR/Cas系統(tǒng)，向擬南芥基因組引入不同間距的單鏈斷裂，然后通過測序分析DNA修復(fù)的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)，如果兩條DNA單鏈均發(fā)生斷裂而且斷裂位點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，修復(fù)過程就會(huì)使斷裂位點(diǎn)附近生成短序列的串聯(lián)重復(fù)。這種串聯(lián)重復(fù)在植物基因組中很常見。研究還表明，多個(gè)DNA單鏈斷裂能夠引發(fā)基因組修飾。植物基因組經(jīng)常會(huì)發(fā)生這樣的DNA斷裂，尤其是在紫外光的照射下。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助人們進(jìn)一步理解植物基因組的進(jìn)化程序。

CRISPR/Cas9基因組編輯技術(shù)給分子生物學(xué)領(lǐng)域帶來了一場變革。與如火如荼的動(dòng)物研究相比，植物CRISPR研究是一個(gè)比較冷門的方向。這就像是一塊沒有被完全開發(fā)的景點(diǎn)，走進(jìn)去往往可以領(lǐng)略到不一樣的風(fēng)景。那么，假如我們涉足這一領(lǐng)域需要注意哪些主要的問題呢？

釀膿鏈球菌的Cas9現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛用于基因組編輯。那么，對(duì)Cas9進(jìn)行基因工程改造將面臨哪些限制呢？加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊(duì)通過隨機(jī)插入突變對(duì)Cas9結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面分析，鑒定了這種蛋白的基因改造熱點(diǎn)。這些位點(diǎn)可以耐受PDZ結(jié)構(gòu)域的插入，不影響Cas9的結(jié)合和剪切功能。

在CRISPR系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使用sgRNA文庫進(jìn)行遺傳篩選，是鑒定基因調(diào)控子的一種有效方法。研究者們可以通過CRISPR篩選在基因組非編碼區(qū)域中尋找功能性元件。不過這樣的應(yīng)用需要高度覆蓋又簡單實(shí)用的自定義sgRNA文庫。耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員開發(fā)了一個(gè)名為Molecular Chipper的新技術(shù)。該技術(shù)能夠針對(duì)指定基因組區(qū)域生成密集覆蓋的sgRNA文庫。