开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）
细胞会使用多种多样的机制来防止外来不利信息在内部的传播。根据相关实验发现，一个与CRISPRs相关的适应性免疫家族能够保护细胞群免受包括来自病毒与质粒的“自私”DNA的侵袭。与CRISPR序列相关的RNA引导的宿主防御机制存在于大多数的细菌和古细菌中。 简单来说，它们的靶标特异性来自一系列的间隔序列区，其中任何一个间隔序列都与来自噬菌体，转座子和质粒的DNA序列相同，它们是散布在CRISPR序列内的。 来自这些CRISPR序列的转录产物被加工成短结构的RNA，这些RNA将与CRISPR相关（Cas）内切核酸酶形成复合物并靶向攻击侵入性核酸，从而赋予宿主以免疫力。
具体来说，CRISPR介导的免疫过程基本上可以分为三个阶段。第一个阶段为“适应”（adaptation）阶段，涉及到宿主从感染因子的基因组中可遗传地获得短序列区段（间隔区）。 这个信息是存储在宿主基因组中的CRISPR序列内，与重复序列（repeat）交替存在，之后是“表达”阶段，即后续CRISPR相关核酸酶的表达。最后一个阶段为“干扰”（interference）阶段，是指由CRISPR相关（Cas）核酸酶根据间隔区序列在随后的“干扰”阶段中确定和破坏感染同一个入侵者。 在几个特征系统中，“适应”通常包括通过一系列Cas蛋白从相应的DNA模板进行整合。CRISPR-Cas系统在遗传学上分为五种类型，而在迄今为止分析的所有系统中，Cas1作为其中一种蛋白都发挥了从DNA中获取间隔序列的催化作用，并且在多数情况下的CRISPR系统中，蛋白质Cas1和Cas2形成复合物来发挥作用。 Cas1和Cas2基因的同源物在不同的CRISPR类型中是保守的，已有直接证据证明在一些I型和II型系统中，Cas1-Cas2复合物在从侵入性DNA被整合到CRISPR序列中的作用。
在众多天然的CRISPR-Cas系统中，2类（Class 2）系统只需要一个RNA指导的Cas核酸酶就能够完成对靶点基因的切割。其中Cas9核酸酶成为了第一个被用于基因组编辑的Cas效应元件。Cas9有很多优于其他Cas蛋白的特点，这些优点让它能够进行准确而有效的基因编辑。Cas9可以特异性识别crRNA（CRISPR RNA），并且它与反式激活crRNA（tracrRNA）之间存在着相互作用，这两个机制保证Cas9只和对应的指导RNA相结合。而crRNA和tracrRNA可以被融合成一个指导RNA（sgRNA）。最后，Cas9需要与特定PAM序列旁边的DNA片段相结合才能触发Cas9的双链DNA切割功能。世界各地的科学家们选择Cas9作为基因编辑工具的原因正是因为这种核酸酶的可控性和通过修改sgRNA靶点就能改变Cas9切割位点的便捷性。
虽然Cas9仍然是最常用的Cas效应元件，但是科学家们已经将Cas效应元件的范围扩展到其它类型的Cas蛋白中去。已有研究证明CRISPR-Cas12a能够靶向获取DNA序列，而CRISPR-Cas13a能够靶向获取RNA的信息。这些由RNA指导的核酸酶系统的可编程特点是CRISPR-Cas系统能够在精准基因组编辑以外获得广泛应用的关键。
CRISPR-Cas9系统已被开发应用于编辑DNA序列，而最新的一些研究表明，在一些III型CRISPR系统中，Cas1会天然地与逆转录酶（RT）融合。这表明协同性的间隔序列整合机制涉及Cas1的整合酶活性和RNA逆转录为DNA过程存在的可能性。这将使得从RNA获得新的间隔序列成为可能，从而产生针对基于RNA的入侵者的适应性免疫。，III型系统靶向RNA的能力提高了除DNA之外从RNA种类获得天然间隔序列区的可能性。 直接获取RNA间隔序列将增加少数已知的遗传信息从RNA逆转流入DNA基因组的机制。
有科学家使用国家生物技术信息中心（NCBI）Conserved Domain Architecture Retrieval Tool（CDART）来检索包含Cas1结构域和任何来源的RT结构域的蛋白质记录。在93种能表达RT-Cas1蛋白复合物的物种中，细菌占了百分之百，而没有古细菌的存在。RT-Cas1融合体在蓝细菌中最为普遍，21％的携带Cas1的蓝细菌携带这种融合体。 具有足够能用于分类鉴定的侧翼序列的RT-Cas1融合体仅与III型CRISPR系统相关; 相反，小于8％的细菌III型CRISPR系统携带RT-Cas1融合体。
Cas1融合的RT结构域与移动遗传元件（反转录转座子）编码的RT最密切相关，称为移动II型内含子。他们鉴定了两种相关的RT-Cas1蛋白结构家族。其中更丰富的一个家族携带规范的N-末端RT结构域，其具有II型内含子特征性的保守RT-0基序和非长末端重复序列（non-LTR）的反转录转座子RTs。另一个缺乏RT-0基序，而是从推定的含有RAMP [重复序列相关的神秘蛋白]超家族的Cas6样RNA识别基序的额外的N-末端结构域开始。逆转录病毒HIV-1 RT和两个RT-Cas1融合家族的代表的II型内含子RT的比对（来自Arthrospira platensis和Marinomonas mediterranea）显示，两个Cas1融合的RTs都含有七个保守序列基序，这些基序特征是逆转录病毒RT的手指和棕榈结构域。每个也都含有RT-2a基序，其在II型内含子RT和相关蛋白中是保守的，但在逆转录病毒RT中不存在，例如HIV-1 RT。 拇指/ X结构域被发现位于逆转录病毒和第II组内含子里RT结构域的下游，但似乎在Cas1相关的RT中缺失。
已有实验验证，转录相关的间隔序列区整合依赖于RT-Cas1中Cas1蛋白的功能性和RT结构域，这一证据支持了将Cas1整合酶活性与细胞RNA的逆转录相结合的RNA捕获机制的想法。RT-Cas1和相关的Cas2蛋白促进单链RNA，单链DNA，双链DNA寡核苷酸直接进入线性CRISPR DNA底物的精确整合，而这表明了RT-Cas1直接获得来自RNA的间隔序列。体外研究提出的协同整合酶 - RT机制与称为移动II型内含子的细菌反转录转座子所使用的基因组整合机制具有相似性，后者编码相关的RT。
RT-Cas1-Cas2协同整合RNA入CRISPR序列的功能在最近的相关研究中已逐渐发展成一种在分子生物学研究领域的应用手段。目前成熟的分子记录技术仅捕获一些被定义化的刺激。但最新研究已经在逐渐开发利用CRISPR间隔序列整合功能来捕获细胞内RNA并将其转化为DNA，从而实现基于DNA的转录信息存储。 目前已成功在大肠杆菌中发现存储在细胞群内的可量化的刺激信息转录记录，例如RNA病毒或任意序列，以及复杂的刺激如氧化应激等。
