Science最新揭秘:除了CRISPR,细菌体内还存在超10种免疫防御系统
2018/01/30
“魔剪”CRISPR最初发现于细菌体内,是细菌用来抵抗入侵病毒及外源DNA的一种天然免疫系统。现在,科学家们又在细菌体内发现了另外10种未知的免疫防御系统。他们相信,这些新系统的挖掘将有望成为下一个基因编辑工具,或者是潜能更大的分子工具。

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数十亿年来,细菌一直运用复杂的防御体系保护自己免受噬菌体的入侵。人类通过解析这些免疫机制,研发出强大的分子生物学工具,例如耳熟能详的限制性内切酶、CRISPR/Cas9。然而,这只是“冰山一角”。

1月15日,《Science》期刊一篇最新文章揭示,科学家们在细菌体内发现了超10种免疫机制,是已知免疫防御体系的两倍多。


图片来源:期刊(DOI: 10.1126/science.aar4120)

最新发现

来自于以色列Weizmann研究所的分子遗传学家Rotem Sorek带领团队试图全面解析细菌的免疫防御系统。他们分析了来自于细菌、古生菌约45000个基因组,研究了位于 “防御岛”(defense islands,已被证实的防御基因)附近的基因群。

研究人员针对这些看起来很有前途的候选基因构建出相应的细菌模型,随后用大量的噬菌体检测这些基因的防御功能。

在他们测试的26个抗噬菌体系统中,有9个被证实参与抗病毒机制,另外有1个与防御质粒(plasmid)有关。Rotem Sorek团队用神话里的保护神命名这些系统,例如Druantia、Kiwa等。

尽管其他16个系统并没有在试验中很好地躲过病原体的入侵,但是它们仍然有可能是有效的防御系统。“这些系统可能额外需要一些编码基因,或者相关启动子等元素在细菌模型中不能正常工作。”研究人员解释道。

一些线索

宏观上讲,Rotem Sorek团队并没有发现这些免疫系统保护细菌免受噬菌体入侵的具体机制,但是,他们发现了一些关于它们工作原理的线索:

1)“Theoris”系统(以埃及负责分娩、生育的保护神而命名)包含一个TLR受体区域,负责调控细胞内信号蛋白的互作,之前研究证实它与调控RNA干扰(RNAi)的原核Argonaute基因有关联。

2)“Zorya”系统被发现含有一个质子通道的组成元素。“我们初步证实,一旦细菌被感染,质子通道可能会‘自杀’,从而促使细胞膜去极化。”Sorek表示。

研究意义

研究人员认为,一旦了解免疫防御的机制,其中的关键分子/蛋白将有望被分子生物学加以运用,从而助力生命医学发展,要知道当下热门的“魔剪”技术CRISPR最初就是细菌体内的一套天然免疫系统,此外,很多核酸工具酶同样来源于微生物。

Sorek 相信:“只要发现一个复杂的免疫系统,并最终解析它的机制,就有望被开发成一个非常有效的工具。

“从科学的角度看,这项研究很酷。” 北卡罗来纳州立大学的CRISPR研究员Rodolphe Barrangou对此评价道,“很明显,随着对免疫机制的深入挖掘,我们将收获具有强大潜能的分子工具。CRISPR的替代方案越多则越好。”

参考资料:

Researchers Discover 10 New Immune Systems in Bacteria

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  • Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome

    The arms race between bacteria and phages led to the development of sophisticated antiphage defense systems, including CRISPR-Cas and restriction-modification systems. Evidence suggests that unknown defense systems are located in “defense islands” in microbial genomes. We comprehensively characterized the bacterial defensive arsenal by examining gene families that are clustered next to known defense genes in prokaryotic genomes. Candidate defense systems were systematically engineered and validated in model bacteria for their antiphage activities. We report nine previously unknown antiphage systems and one antiplasmid system that are widespread in microbes and strongly protect against foreign invaders. These include systems that adopted components of the bacterial flagella and condensin complexes. Our data also suggest a common, ancient ancestry of innate immunity components shared between animals, plants, and bacteria.

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