Nature：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)病毒對(duì)抗細(xì)菌CRISPR免疫系統(tǒng)的全新方式

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2023-10-31 10:50:00【大中小】

摘要：病毒抑制細(xì)菌CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)的新方法。

近日，由奧塔哥大學(xué)的Peter Fineran教授和哥本哈根大學(xué)的Rafael Pinilla-Redondo博士領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，揭示了病毒抑制細(xì)菌CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)的新方法。

圖1 噬菌體使用基于RNA的抗CRISPR抑制CRISPR–Cas免疫

奧塔哥微生物學(xué)和免疫學(xué)系噬菌體-宿主相互作用（Phi）實(shí)驗(yàn)室的共同第一作者David Mayo-Muñoz博士表示，這一發(fā)現(xiàn)可以讓我們了解環(huán)境中的微生物動(dòng)態(tài)，用于使基因編輯更安全，并且?guī)?lái)更有效的抗生素替代品。“這一發(fā)現(xiàn)對(duì)科學(xué)界來(lái)說(shuō)是令人興奮的，因?yàn)樗屛覀兏玫亓私馊绾巫柚笴RISPR-Cas防御，”他說(shuō)。

CRISPR-Cas是細(xì)菌的免疫系統(tǒng)，可以保護(hù)它們免受細(xì)菌病毒（噬菌體）的感染。它的工作原理是提取噬菌體DNA片段并將其添加到細(xì)菌的基因組中。細(xì)菌最終會(huì)建立一個(gè)既往噬菌體感染的記憶庫(kù)，將其像照片一樣歸檔，以便當(dāng)特定噬菌體再次攻擊時(shí)，用它們來(lái)識(shí)別和降解它。

“如果病毒入侵，其部分DNA會(huì)被添加到記憶庫(kù)中，然后在此過(guò)程中從DNA轉(zhuǎn)變?yōu)?RNA。每個(gè) RNA 都充當(dāng)‘向?qū)?rsquo;的角色，因此CRISPR-Cas系統(tǒng)可以正確識(shí)別并消滅入侵的噬菌體。記憶庫(kù)中的每個(gè)添加內(nèi)容都由CRISPR重復(fù)序列劃分，該重復(fù)序列像書(shū)擋一樣堆疊在每個(gè)噬菌體序列之間。”

“有趣的是，噬菌體已經(jīng)進(jìn)化出不同的方式來(lái)克服這些防御系統(tǒng)——這就像一場(chǎng)進(jìn)化軍備競(jìng)賽。細(xì)菌有CRISPR-Cas，因此噬菌體開(kāi)發(fā)出了抗CRISPR，這使得它們能夠阻斷細(xì)菌的免疫復(fù)合物。”

圖2 RacrIF1具有抗CRISP活性

“我們發(fā)現(xiàn)的是噬菌體可以阻止CRISPR-Cas系統(tǒng)的全新方式，”Mayo-Muñoz博士說(shuō)。之前的研究人員表明，一些噬菌體的基因組中含有CRISPR重復(fù)序列，在當(dāng)前的研究中，奧塔哥和哥本哈根團(tuán)隊(duì)證明噬菌體將這些RNA重復(fù)序列裝載到細(xì)菌中以阻止CRISPR-Cas。

“噬菌體在自己的基因組中含有CRISPR-Cas系統(tǒng)。它們利用這些作為分子模擬物來(lái)繞過(guò)細(xì)菌的免疫系統(tǒng)并允許噬菌體復(fù)制，”奧塔哥Phi實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Fineran教授說(shuō)。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噬菌體將RNA重復(fù)序列加載到CRISPR-Cas蛋白上時(shí)，并非所有正確的蛋白都會(huì)加載，也會(huì)形成無(wú)功能的復(fù)合物。“這種分子模擬物破壞了細(xì)菌的防御和系統(tǒng)的功能，可以將其看作一個(gè)誘餌。”

人們對(duì)CRISPR-Cas的主要興趣在于其精確編輯基因組的可編程特性，這項(xiàng)技術(shù)曾榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（2020年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因開(kāi)發(fā)了CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)而榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。有趣的是，抗CRISPR可以用作關(guān)閉或調(diào)整該技術(shù)的安全開(kāi)關(guān)。“為了發(fā)揮CRISPR-Cas技術(shù)的潛力，重要的是能夠控制它、打開(kāi)和關(guān)閉它、調(diào)整它，從而提高其準(zhǔn)確性和治療效果，”Mayo-Muñoz博士表示。

“我們的發(fā)現(xiàn)是RNA抗CRISPR的首個(gè)證據(jù)，它的基因序列比之前發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)抗CRISPR更短，并且由于它們是基于已知的CRISPR重復(fù)序列，我們就有可能設(shè)計(jì)RNA抗CRISPR所有CRISPR-Cas系統(tǒng)及其具體應(yīng)用，”該研究人員還表示道。

CRISPR-Cas最終將用于基因治療，修復(fù)導(dǎo)致疾病的突變基因。但為了使其更安全，需要抗CRISPR來(lái)調(diào)節(jié)該技術(shù)。

噬菌體還可以用作抗菌劑來(lái)殺死病原菌，提供抗生素的替代品，但如果受感染的細(xì)菌具有活躍的CRISPR-Cas系統(tǒng)，則需要具有正確抗CRISPR的噬菌體來(lái)中和它。“能夠創(chuàng)建定制的抗CRISPR將是未來(lái)重要的研究方向。”Peter Fineran教授說(shuō)道：“我們很高興能夠提供關(guān)于噬菌體如何與其細(xì)菌宿主戰(zhàn)斗的全新見(jiàn)解。我們希望這些RNA抗CRISPR能夠提供一種新方法來(lái)幫助控制CRISPR-Cas技術(shù)。”

參考資料

[1] Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs