在一項新的研究中，來自美國蒙大拿州立大學(xué)、康奈爾大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員研究了細(xì)菌如何抵抗來自病毒的攻擊。相關(guān)研究結(jié)果于2016年2月10日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Structural basis for promiscuous PAM recognition in type I–E Cascade from E.coli”。蒙大拿州立大學(xué)文理學(xué)院、農(nóng)業(yè)學(xué)院微生物學(xué)與免疫學(xué)助理教授Blake Wiedenheft及其研究生Paul B.G. vanErp都是這篇論文的作者。
“與人類一樣，細(xì)菌也會遭受病毒感染”，Wiedenheft說，“zui近，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌有復(fù)雜的被稱作CRISPRs(clustered regularly-interspaced short palindromic repeats，成簇的規(guī)律間隔性短回文重復(fù)序列)的免疫系統(tǒng)，我們的研究工作旨在了解這些免疫系統(tǒng)是如何工作的。”
多年來，科學(xué)家們就已知道細(xì)菌具有抵抗病毒入侵的能力，但認(rèn)為它們的免疫系統(tǒng)較為原始。然而，zui近幾年發(fā)現(xiàn)的CRISPRs讓人們改變了這種觀念。
“CRISPRs能夠讓細(xì)菌記住之前遇到的病毒，一旦隨后再次遇到相同的病原體，就能夠快速發(fā)起免疫反應(yīng)”，Wiedenheft說，“這在概念上類似于我們自己的免疫系統(tǒng)。”
這項研究有助理解CRISPRs如何區(qū)分自我的遺傳物質(zhì)和病毒的DNA。如果沒有這種區(qū)分能力，那么這種抗病毒方法會破壞宿主細(xì)胞。
“[若不能區(qū)分，那么]靶向儲存在細(xì)菌基因組中的外源DNA將會導(dǎo)致殺死細(xì)菌或者至少讓細(xì)菌患病的自身免疫反應(yīng)。這項研究解釋了大腸桿菌中的這種免疫系統(tǒng)如何區(qū)分該細(xì)菌自身的遺傳物質(zhì)和病毒的遺傳物質(zhì)。”
“這種與來自康奈爾大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們的合作是一個的機(jī)會產(chǎn)生越來越多的旨在理解DNA檢測機(jī)制的論文。這種合作為這個領(lǐng)域未來的一些研究工作奠定基礎(chǔ)”，van Erp說。
為了理解這些免疫系統(tǒng)如何區(qū)分“自我”的DNA和“非自我”的DNA，研究人員使用了一種被稱作X射線晶體分析法的技術(shù)構(gòu)建出大腸桿菌免疫系統(tǒng)的CRISPR相關(guān)抗病毒防御復(fù)合體(CRISPR-associated complex for antiviral defence, Cascade)識別外源DNA片段時的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。
“這些結(jié)構(gòu)圖，在概念上類似于建筑施工圖，解釋了這些抗病毒防御復(fù)合體如何發(fā)揮作用”，Wiedenheft說，“我們?nèi)缃裾谠噲D利用這些結(jié)構(gòu)圖改造這種系統(tǒng)用于大自然未曾想到的應(yīng)用。”
理解細(xì)菌中的CRISPRs如何發(fā)揮作用有助開發(fā)一種變革性的深刻影響生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)的新技術(shù)。在細(xì)菌中，CRISPRs結(jié)合到外源DNA上，并進(jìn)行切割，從而阻止它在細(xì)菌細(xì)胞中建立感染。Wiedenheft說，地理解這種系統(tǒng)如何發(fā)揮作用能夠讓科學(xué)家們“改變這些DNA切割系統(tǒng)的用途以便在DNA上進(jìn)行外科手術(shù)”。
他說，“如今，CRISPR系統(tǒng)已被用于人細(xì)胞中，而且我們也能夠?qū)@些系統(tǒng)進(jìn)行編程以便切除和修復(fù)人細(xì)胞中存在缺陷的DNA。”
這些技術(shù)有潛力用來治療遺傳性疾病，如肌肉營養(yǎng)不良和囊性纖維化。目前，在美國和海外，有大量的商業(yè)資金投資于CRISPRs的應(yīng)用上。
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