Nature：科学家发现病毒对抗细菌CRISPR免疫系统的全新方式

2023-10-30 16:05 · 生物探索

病毒抑制细菌CRISPR-Cas免疫系统的新方法。

导语：一项微观发现不仅能让科学家了解我们周围的微生物世界，还能提供控制CRISPR-Cas生物技术的新方法。

近日，由奥塔哥大学的Peter Fineran教授和哥本哈根大学的Rafael Pinilla-Redondo博士领导的国际研究小组在《自然》杂志上发表了一项研究，揭示了病毒抑制细菌CRISPR-Cas免疫系统的新方法。

奥塔哥微生物学和免疫学系噬菌体-宿主相互作用（Phi）实验室的共同第一作者David Mayo-Muñoz博士表示，这一发现可以让我们了解环境中的微生物动态，用于使基因编辑更安全，并且带来更有效的抗生素替代品。“这一发现对科学界来说是令人兴奋的，因为它让我们更好地了解如何阻止CRISPR-Cas防御，”他说。

CRISPR-Cas是细菌的免疫系统，可以保护它们免受细菌病毒（噬菌体）的感染。它的工作原理是提取噬菌体DNA片段并将其添加到细菌的基因组中。细菌最终会建立一个既往噬菌体感染的记忆库，将其像照片一样归档，以便当特定噬菌体再次攻击时，用它们来识别和降解它。

“如果病毒入侵，其部分DNA会被添加到记忆库中，然后在此过程中从DNA转变为 RNA。每个 RNA 都充当‘向导’的角色，因此CRISPR-Cas系统可以正确识别并消灭入侵的噬菌体。记忆库中的每个添加内容都由CRISPR重复序列划分，该重复序列像书挡一样堆叠在每个噬菌体序列之间。”

“有趣的是，噬菌体已经进化出不同的方式来克服这些防御系统——这就像一场进化军备竞赛。细菌有CRISPR-Cas，因此噬菌体开发出了抗CRISPR，这使得它们能够阻断细菌的免疫复合物。”

RacrIF1具有抗CRISP活性（图片来源：Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06612-5）

“我们发现的是噬菌体可以阻止CRISPR-Cas系统的全新方式，”Mayo-Muñoz博士说。之前的研究人员表明，一些噬菌体的基因组中含有CRISPR重复序列，在当前的研究中，奥塔哥和哥本哈根团队证明噬菌体将这些RNA重复序列装载到细菌中以阻止CRISPR-Cas。

“噬菌体在自己的基因组中含有CRISPR-Cas系统。它们利用这些作为分子模拟物来绕过细菌的免疫系统并允许噬菌体复制，”奥塔哥Phi实验室负责人Fineran教授说。

研究小组还发现，当噬菌体将RNA重复序列加载到CRISPR-Cas蛋白上时，并非所有正确的蛋白都会加载，也会形成无功能的复合物。“这种分子模拟物破坏了细菌的防御和系统的功能，可以将其看作一个诱饵。”

人们对CRISPR-Cas的主要兴趣在于其精确编辑基因组的可编程特性，这项技术曾荣获了诺贝尔化学奖（2020年，Emmanuelle Charpentier和Jennifer Doudna因开发了CRISPR-Cas基因编辑技术而荣获诺贝尔化学奖）。有趣的是，抗CRISPR可以用作关闭或调整该技术的安全开关。“为了发挥CRISPR-Cas技术的潜力，重要的是能够控制它、打开和关闭它、调整它，从而提高其准确性和治疗效果，”Mayo-Muñoz博士表示。

“我们的发现是RNA抗CRISPR的首个证据，它的基因序列比之前发现的蛋白质抗CRISPR更短，并且由于它们是基于已知的CRISPR重复序列，我们就有可能设计RNA抗CRISPR所有CRISPR-Cas系统及其具体应用，”该研究人员还表示道。

CRISPR-Cas最终将用于基因治疗，修复导致疾病的突变基因。但为了使其更安全，需要抗CRISPR来调节该技术。

噬菌体还可以用作抗菌剂来杀死病原菌，提供抗生素的替代品，但如果受感染的细菌具有活跃的CRISPR-Cas系统，则需要具有正确抗CRISPR的噬菌体来中和它。“能够创建定制的抗CRISPR将是未来重要的研究方向。”Peter Fineran教授说道：“我们很高兴能够提供关于噬菌体如何与其细菌宿主战斗的全新见解。我们希望这些RNA抗CRISPR能够提供一种新方法来帮助控制CRISPR-Cas技术。”

关键词：病毒细菌