Nature: CRISPR系统如何区分敌友
生物通 · 2014/09/01
科学家们一直认为,细菌的免疫系统会自动地破坏它识别为入侵病毒基因的东西。近日,发表在《Nature》上的一项研究中,来自洛克菲勒大学的研究人员在新实验中证实,一种称作为CRISPR-Cas系统的细菌免疫系统可以通过留意一种特殊的线索将病毒朋友和敌人区分开来。

不忙于攻击我们时,细菌之间会彼此竞争。但当病毒入侵细菌时,它们不总是给受感染的微生物带来灾难:有时候病毒实际上携带着细菌可以利用的有益基因,可以扩大其饮食或是让它们能够更好地攻击自身的宿主。

科学家们一直认为,细菌的免疫系统会自动地破坏它识别为入侵病毒基因的东西。现在,来自洛克菲勒大学的研究人员在新实验中证实,一种称作为CRISPR-Cas系统的细菌免疫系统可以将病毒朋友和敌人区分开来。研究人员称CRISPR-Cas系统是通过留意一种特殊的线索做到这一点的。研究论文发表在8月31日的《自然》(Nature)杂志上。

细菌学实验室主任Luciano Marraffini说:“转录是基因(包括病毒基因)读取过程中的一个初始步骤,其产生了差别。病毒的全基因组是在它们的溶菌(破坏性)阶段被转录,而病毒的少数基因是在溶原(休眠)阶段被转录。”

病毒在它们的溶菌阶段利用细胞的机器来复制自身,然后破坏细胞释放出新病毒。与此同时,病毒在它们的溶原阶段悄悄地整合到宿主遗传物质之中。这就是它们向细菌提供潜在利益之处,细菌可以挑选出一些病毒基因来实现自身的目的。实际上,一些致病微生物,例如白喉致病菌就必须带上适合的病毒来攻击人类。

科学家们直到最近才发现这一适应性细菌免疫系统。它的功能依赖于CRISPRs。CRISPR指的是成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats),长度约25~50bp的重复序列(repeats)被间隔序列(spacer)所间隔。这些间隔序列与病毒遗传密码中的序列相匹配,CRISPR相关基因(CRISPR-associated genes,Cas)编码的酶将CRISPR DNA转录的RNA中的间隔序列切除出来。随后其他Cas酶利用这些间隔序列作为引导靶向破坏入侵者。

这一系统可通过获取新的间隔序列来使自身适应新入侵者靶向它们。由于能够对DNA进行精确靶向切割,可利用来对所有细胞类型进行遗传工程改造,最近CRISPR-Cas系统受到科学界的高度关注。

该研究的主要作者、研究生Gregory Goldberg说:“我们对于CRISPR-Cas系统的了解仍然处于初期阶段。然而到目前为止,人们普遍认为它们没有采用一种精细的方法来识别它们的靶标。换句话说,一旦它们靶向某物,某物就会被切断。我们的工作第一次证实,存在于葡萄球菌中的CRISPR-Cas系统,可以检测出病毒是否存于破坏阶段及构成直接的威胁。”

以往的大部分工作都是将焦点放在裂解病毒上。然而,葡萄球菌中存在有许多能够进入溶原阶段的病毒。研究人员还发现了一种显著不对称:葡萄球菌CRISPR系统能够有效地靶向两条互补DNA链上的一段序列和它的对应序列。他们怀疑产生这种矛盾的原因是大多数的病毒基因朝着单一方向进行转录,这意味着两条靶DNA链有一条不转录。

“当我们分离出一种设法逃避破坏的变异病毒时,一条重要的线索显现出来。有时候病毒能够通过靶序列突变来阻止CRISPR-Cas系统识别它们从而做到这一点。但当我们测序这一阶段的基因组时,我们在一个促进转录的区域中发现了突变,”Goldberg说。

在一系列的试验中,他和同事们检测了他们的假设:称作为Type III-A的葡萄球菌CRISPR-Cas系统可以容忍溶原病毒感染,只要靶序列不被转录。他们设计了一段靶序列,其只在存在一种特异化学物质时才发生转录。因此Type III-A CRISPR-Cas系统只在存在这种化学物质时破坏靶标。

Marraffini 说:“发现这种转录要求有可能让许多从事这些系统研究工作的人感到惊讶。尽管我们还不知道这背后的机制,我们可以说Type -III-A系统完全不同于其他的CRISPR-Cas系统,CRISPR-Cas系统有着多种神秘的类型。我们的研究发现表明了一种可能性:每种CRISPR类型和亚型都是以不同的方式来识别和破坏它的靶标,各自调整满足特定细菌的需要。如果确实存在这些不同的靶向机制,它们对于生物技术可能具有重要的意义。”

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