Nature：来自噬菌体的强力反击！噬菌体产生抗CRISRP RNA来抑制细菌CRISPR–Cas系统

一项微观上的发现不仅能让科学家们了解我们周围的微生物世界，还能提供一种控制CRISPR-Cas生物技术的新方法。在一项新的研究中，新西兰奥塔哥大学的Peter Fineran教授和丹麦哥本哈根大学的Rafael Pinilla-Redondo博士领导的一个国际研究团队揭示了细菌病毒---也称为噬菌体---抑制细菌 CRISPR-Cas 免疫系统的一种新方法。相关研究结果于2023年10月18日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs”。

论文共同第一作者、奥塔哥大学微生物学与免疫学系噬菌体-宿主相互作用实验室的David Mayo-Muñoz博士说，这一发现可能让我们了解环境中的微生物动态、使基因编辑更安全，并带来更有效的抗生素替代品。他说，“这一发现令科学界兴奋不已，因为它让我们对如何阻止CRISPR-Cas防御有了更深入的了解。”

CRISPR-Cas是细菌拥有的能够保护它们不受噬菌体感染的免疫系统。它的工作原理是将噬菌体的DNA片段添加到细菌的基因组中。细菌最终会有一个记忆库，里面储存着过去感染噬菌体的经历，它会把这些经历像人脸照片一样归档，在噬菌体再次攻击时，利用它们来识别和降解特定的噬菌体。

“如果有噬菌体入侵，它的部分 DNA 会被添加到记忆库中，然后在这个过程中将 DNA 转化为 RNA。每条 RNA 就像一个向导，这样 CRISPR-Cas 系统就能正确识别并消灭入侵的噬菌体。记忆库中的每一个添加的DNA片段都被CRISPR重复序列分割开来，这些重复序列就像书挡一样堆叠在相邻的噬菌体序列之间。有趣的是，噬菌体进化出了不同的方法来克服这些防御系统---这就像是一场进化军备竞赛。细菌拥有CRISPR-Cas，因此噬菌体开发出了抗CRISPR，这使它们能够阻断细菌的这些免疫复合物。”

Mayo-Muñoz说，“我们发现了噬菌体阻止CRISPR-Cas系统的全新方法。”

之前的科学家们已发现，一些噬菌体的基因组中含有CRISPR重复序列，而在这项新的研究中，这些作者证实噬菌体会给细菌加载这些RNA重复序列，从而阻止CRISPR-Cas。

Fineran教授说，这些抗CRISPR RNA会使细菌的CRISPR-Cas免疫复合物失明。他说，“噬菌体的基因组中含有细菌CRISPR-Cas系统的成分。它们利用这些分子模拟物来抑制细菌的免疫系统，使噬菌体得以复制。”

RacrIF1具有抗CRISP活性。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06612-5。

这些作者还发现当噬菌体将 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被加载，从而形成无功能的免疫复合物。“这种分子模拟物破坏了细菌的防御能力和CRISPR-Cas系统的功能；它基本上就是一个诱饵。”

人们对CRISPR-Cas的一大兴趣在于它经编程后能够精确地编辑基因组的特性。有趣的是，抗CRISPR可用作关闭或调整这项技术的安全开关。“要想发挥CRISPR-Cas技术的潜力，重要的是能够控制它、开启和关闭它以及调整它，从而提高其准确性和治疗效果。”

Mayo-Muñoz博士说，“我们的发现首次证明了抗CRISPR RNA的存在，与之前发现的抗CRISPR蛋白相比，抗CRISPR RNA的遗传序列更短，而且由于它们是基于已知的CRISPR重复序列，我们有可能为所有CRISPR-Cas系统及其特定应用设计抗CRISPR RNA。”

CRISPR-Cas最终将用于基因疗法---修复导致疾病的突变基因，但为了使它更安全，需要抗CRISPR来调节这种技术。

噬菌体还可以作为抗菌剂杀死病原菌，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，就需要使用含有合适的抗CRISPR的噬菌体来中和它。

Fineran教授说，“能够构建定制的抗CRISPR将是工具箱中的一个强大选择。我们很高兴能够对噬菌体如何与细菌宿主作战提供全新的见解。我们希望这些 RNA anti-CRISPR RNA能够提供一种新的方法来协助控制 CRISPR-Cas 技术。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Sarah Camara-Wilpert et al. Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity through RNA-based anti-CRISPRs. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06612-5.

2. Scientists uncover new way viruses fight back against bacteria
https://phys.org/news/2023-10-scientists-uncover-viruses-bacteria.html