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Nat Biotech:CRISPR系统新功能 对抗超级细菌

2014/09/23 来源:生物通
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导读
近年来,出现了一些新的细菌菌株,其甚至能够抵抗最强效的抗生素。近日,麻省理工学院的工程师们现在转而借助了一种强大的新武器来对付这些超级细菌。研究证实基因编辑系统CRISPR可使超级细菌耐药或致病能力的靶基因丧失功能,选择性杀死携带着有害基因的细菌。


近年来,出现了一些新的细菌菌株,其甚至能够抵抗最强效的抗生素。每年在美国,这些超级细菌,包括耐药结核菌和葡萄球菌造成200多万人感染,至少2.3万人死亡。尽管对新治疗方法有着迫切的需求,在过去的十年里科学家们只发现了极少的新型抗生素。

麻省理工学院的工程师们现在转而借助了一种强大的新武器来对付这些超级细菌。他们证实利用基因编辑系统使得赋予它们耐药或致病能力的靶基因丧失功能,可以选择性杀死携带着有害基因的细菌。

麻省理工学院生物工程、电子工程及计算机科学系副教授卢冠达(Timothy Lu)是这项研究的领导者,这位青年科学家曾入选美国麻省理工学院百年期刊《技术评论》评选的世界青年科技创新家。研究人员将他们的研究结果发布在9月21日的《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上。

上个月,卢冠达实验室报告了一种不同的对抗耐药菌的方法,他们称鉴别出了一些基因的组合协同作用可使得细菌对抗生素更为敏感。卢冠达希望两种技术将促成一些新药帮助对抗耐药菌造成的日益加剧的危机。

卢冠达说:“这是一个非常关键的时刻,现在可用的新抗生素越来越少,越来越多的抗生素耐药产生。我们一直对找到一些新的方法来对抗抗生素耐药感兴趣,这些论文为此提供了两种不同的策略。”

除去抗性

大多数的抗生素都是通过干扰一些关键的功能如细胞分裂或蛋白质合成来发挥作用。而包括难以对付的MRSA(耐甲氧西林金黄色葡萄球菌)和CRE(耐碳青霉烯类肠杆菌)在内的一些细菌,却已进化至用现有的药物几乎无法医治。

在发表于《Nature Biotechnology》杂志上的这项新研究中,研究生Robert Citorik和Mark Mimee与卢冠达一起,靶向了使得细菌能够在抗生素治疗中存活的一些特异基因。CRISPR基因组编辑系统为靶向这些基因提供了完美的策略。

CRISPR最初是由从事细菌免疫系统研究的生物学家们所发现,其包含一组蛋白,细菌利用它来保护自身对抗入侵的病毒(噬菌体)。其中的一种蛋白是称作为Cas9的DNA切割酶,Cas9可结合到靶向特异序列的短RNA引导链上,后者告知Cas9在哪里完成切割。

卢冠达和同事们决定转而利用细菌自身的武器来对付它们。他们设计了一些RNA引导链来靶向导致抗生素耐药的一些基因,其中包括编码NDM-1酶的基因,NDM-1使得细菌能够对抗广泛的β-内酰胺类抗生素,包括碳青霉烯类抗生素。编码NDM-1和其他耐药因子的基因往往存在于质粒中,这使得它们更容易在菌群中传播。

当研究人员转而用CRISPR系统来对抗NDM-1时,他们特异性地杀死了超过99%的携带NDM-1的细菌,而细菌抵抗的抗生素却没有诱导任何显著的杀伤效应。他们还成功地靶向了编码SHV-18的另一个抗生素耐药基因和肠道出血性大肠杆菌中的一个毒力因子。

此外,研究人员证实还可以利用CRISPR系统基于遗传标记从多样的菌群中选择性地除去特异的细菌,由此在抗菌应用之外还开辟了“微生物组编辑”潜在可能性。

为了让CRISPR元件进入到细菌中,研究人员构建了两种载体——质粒上携带着CRISPR基因的基因工程菌,以及结合细菌并注入这些基因的噬菌体颗粒。两种载体成功地将CRISPR 基因传播至耐药菌群。将CRISPR系统传送到感染一种有害形式大肠杆菌的大蜡螟(waxworm),幼虫体内,提高了幼虫的生存率。

研究人员现正在小鼠中测试这种方法,他们预想着最终这一技术将适用于传送CRISPR元件,来治疗感染或是除去人类患者体内其他有害的细菌。

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