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两篇Cell发现噬菌体抱团抑制细菌CRISPR免疫系统,有助改进噬菌体疗法

来源:本站原创 2018-07-21 07:03

2018年7月21日/生物谷BIOON/---CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)的简称。它是旨在抵御外来DNA的细菌免疫系统的一个重要的组成部分。在细菌中,CRISPR的作用就像在人体细胞中的一把剪刀一样,切割外来的DNA链。尽管科学家们已知道CRISPR在野外大约一半的细菌中发现到,但他们对CRISPR与入侵的病毒或噬菌体之间的分子战争知之甚少。
图片来自Mulepati, S., Bailey, S.; Astrojan/Wikipedia/ CC BY 3.0。

在2018年7月19日同时在线发表在Cell期刊上的两篇论文中,来自两个研究团队的研究人员提供了当入侵含有CRISPR的细菌时,噬菌体彼此间进行合作的证据。他们发现为了压制CRISPR的破坏,噬菌体通过联合起来快速地感染细菌来加以适应,而且有时一个噬菌体还会为此作为引火噬菌体(primer phage)牺牲自我。这两个研究团队---来自美国加州大学旧金山分校和英格兰埃克塞特大学----着重关注细菌和噬菌体之间基于CRISPR和抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR protein)的免疫关系。这两篇论文的标题为“Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity”和“Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity”。

加州大学

加州大学旧金山分校的研究人员意外地发现噬菌体彼此间相互合作旨在赢得与CRISPR之间的时间和数量战争。为了成为一种有效的免疫策略,含有CRISPR的细菌必须快速地对噬菌体攻击作出反应,并且必须在噬菌体杀死它之前这样做。加州大学旧金山分校的Joseph Bondy-Denomy说,“这是一个非常快速的时间和数字游戏。CRISPR蛋白必须非常快地找到病毒DNA,如果无法做到这一点,那么病毒就会继续入侵并杀死细菌细胞。”

Bondy-Denomy团队研究了铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),这是已知在遭受噬菌体感染前会预先表达数百个CRISPR分子的细菌之一。当单个噬菌体基因组进入细菌细胞时,CRISPR能够立即起作用。在一些其他的细菌中,CRISPR仅在遭受噬菌体感染时才被启动。

在铜绿假单胞菌含有的大约30种已知的向导RNA(gRNA)中,每个CRISPR蛋白复合物含有其中的一种不同的gRNA。为了让CRISPR系统有效地发挥作用,它必须找到与它的gRNA相匹配的靶标。具有正确的gRNA的CRISPR蛋白复合物与当时恰好正在入侵的噬菌体匹配上,结合到噬菌体DNA上并进行切割,这样细菌细胞便战胜噬菌体的入侵。Bondy-Denomy说,“噬菌体带来的挑战是非常快地产生抗CRISPR蛋白(Acr)来阻止这种切割发生。”他在几年前首次发现了抗CRISPR蛋白。在这项新的研究中,他的团队发现单个噬菌体基因组不可能足够快地产生这些抗CRISPR蛋白,这是因为细菌细胞中的CRISPR蛋白已作好准备。

Bondy-Denomy说,“我们认为正在发生的事情就是第一个噬菌体起着一个自杀性的噬菌体的作用。它会被破坏,但是一路上它会开始产生一些抗CRISPR蛋白,这些抗CRISPR蛋白中和一些CRISPR,从而帮助它的同类在随后发起感染。”他的团队正在提出一种新的模型,在这种模型中,第一个噬菌体有助于下一个噬菌体成功地感染细菌,即便第一个噬菌体为此付出生命的代价。至于谁会赢得CRISPR和噬菌体之间的战斗,这是由参与的CRISPR蛋白和抗CRISPR蛋白分子的数量和速度之间的临界点决定的。此外,该团队发现并非所有的抗CRISPR分子都具有相同的强度,这使得维持这两者之间的平衡更加复杂化。

Bondy-Denomy团队认为,这种噬菌体合作是一种利他主义的形式,以确保噬菌体在宿主内继续复制,这一点并没有之前的病毒或噬菌体模型中加以报道,而且之前的模型通常认为病毒或噬菌体不过是蛋白外壳包围着的惰性核酸。他们希望这一发现将会刺激那些在病毒领域开展研究工作的人,特别是那些致力于研究人类病毒的人。

埃克塞特大学

埃克塞特大学的研究人员也发现感染铜绿假单胞菌的噬菌体颗粒彼此间能够合作来克服抗病毒的CRISPR防御。

在埃克塞特大学的Edze Westra和Stineke Van Houte的领导下,这些研究人员(以下称埃克塞特大学团队)确定一些含有CRISPR的细菌对编码着抗CRISPR蛋白的噬菌体具有部分免疫力。他们证实这些噬菌体合作克服CRISPR防御的过程:第一个噬菌体阻断宿主CRISPR免疫系统,从而产生CRISPR免疫防御受到抑制的细菌宿主,接着随后的噬菌体就能够成功地在这个细菌宿主中复制。

鉴于单个噬菌体本身不能完全压制CRISPR,这需要噬菌体开展“团队合作”来克服它并在细菌群体中建立感染。随着CRISPR免疫防御受到抑制的细菌宿主在细菌群体中的数量在增加,越来越多的噬菌体感染取得成功,这就导致感染扩散。因此,为了让噬菌体感染在整个细菌群体中扩散,环境中最初需要一定数量的噬菌体。导致这种噬菌体感染扩散所需的初始噬菌体数量标志着一个临界点,它决定着噬菌体是否持续复制或或者说这种感染是否会消失。

埃克塞特大学团队认为这一突破性的发现可能有助于改善噬菌体疗法,这种疗法长期以来一直被研究和测试用于治疗病原性细菌感染。Van Houte说,“噬菌体共同作用来抑制细菌免疫系统的这一发现对我们来说是非常令人吃惊的,这能够有助于改进利用噬菌体治疗人类细菌感染的策略,这是因为用于治疗的噬菌体剂量将决定着噬菌体是否能够成功地清除细菌感染。”

Westra 说,“更一般地说,这表明病毒对宿主的持久性免疫抑制作用能够对病毒感染的流行病学产生深远的影响。” (生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Phages work together to suppress CRISPR bacterial immunity

Viruses cooperate to overcome immune defences of bacteria


Adair L. Borges, Jenny Y. Zhang, MaryClare F. Rollins et al. Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.06.013.

Mariann Landsberger, Sylvain Gandon, Sean Meaden et al. Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity. Cell, Published online: July 19, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.05.058.

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