白色念珠菌是一種臭名昭著的人類真菌病原體，可引起鵝口瘡和嚴(yán)重的全身性感染。機(jī)會(huì)性白色念珠菌真菌，通常在人體皮膚和腸道的正常菌群中不顯眼地生活，可以從其無害的隱形模式轉(zhuǎn)變?yōu)榍忠u性病原體，特別是在免疫系統(tǒng)已經(jīng)受到已有疾病或嚴(yán)厲藥物治療影響的人群中。 。它們還可以在醫(yī)療設(shè)備上形成生物膜，例如人體內(nèi)的導(dǎo)管和支架，導(dǎo)致感染，有時(shí)甚至死亡。免疫和生物膜結(jié)合形式的病原體所構(gòu)成的威脅在不斷增長(zhǎng)，因?yàn)橛卸镜陌咨钪榫陮?duì)可用于治療它們的少數(shù)藥物越來越具有抗性。

微生物學(xué)家在努力抗擊白色念珠菌的耐藥性和生物膜形成方面面臨著巨大的困難。每個(gè)白色念珠菌微生物是“二倍體”生物，因?yàn)樗ǔ０湔麄€(gè)基因組的兩個(gè)拷貝和其中編碼的所有基因。然而，為了理解特定基因的作用，研究人員需要能夠同時(shí)刪除這兩個(gè)拷貝，使他們能夠觀察到基因完全缺失的影響，這對(duì)白色念珠菌來說是一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)。此外，基因在許多過程中經(jīng)常發(fā)揮非常相似且有時(shí)多余的作用，包括耐藥性和生物膜形成，這意味著需要?jiǎng)h除一個(gè)以上的基因以鑒定那些功能相關(guān)的基因。

為了解決白色念珠菌中的基因缺失挑戰(zhàn)，由哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所的兩名核心教員James Collinsand George Church領(lǐng)導(dǎo)的合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于CRISPR-Cas9的“基因驅(qū)動(dòng)”平臺(tái)，以創(chuàng)建二倍體可以有效刪除兩種基因拷貝的病原體菌株。該技術(shù)可能會(huì)引導(dǎo)人們更好地了解耐藥性和生物膜形成機(jī)制，并且通過未來的研究，它可以幫助確定新的藥物靶點(diǎn)和聯(lián)合療法。該研究發(fā)表在Nature Microbiology上。

該團(tuán)隊(duì)利用了最近發(fā)現(xiàn)的非常罕見的“單倍體”形式的白色念珠菌，與其他真菌一樣，只含有一組染色體，每個(gè)基因有一個(gè)拷貝，但它們可以交配以輕易地形成二倍體形式。“我們使用了單倍體白色念珠菌菌株，用我們之前開發(fā)的'基因驅(qū)動(dòng)'取代了我們想要消除的基因，并根據(jù)白色念珠菌的特定生物學(xué)進(jìn)行了調(diào)整。交配后，這些”自私的遺傳元素“繼續(xù)取代這種基因在二倍體真菌中的正?？截悾?ldquo;哈佛醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)教授，哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，??博士說。“

新的基因驅(qū)動(dòng)方法基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)，其中DNA切割Cas9酶通過兩種所謂的指導(dǎo)RNA(gRNA)靶向位于單倍體白色念珠菌真菌中基因側(cè)翼的兩個(gè)區(qū)域。在切下靶基因序列后，將表達(dá)所有Cas9和gRNA組分的工程化基因驅(qū)動(dòng)盒插入其位置。當(dāng)兩個(gè)單倍體真菌交配形成二倍體后代時(shí)，基因驅(qū)動(dòng)也將替代另一個(gè)染色體中的基因?qū)?yīng)物，完全有效地從生物體中刪除原始形式。

通過應(yīng)用他們的基因缺失方法，該團(tuán)隊(duì)能夠識(shí)別基因的組合，這些基因在抗拒某些藥物或觸發(fā)生物膜形成方面起協(xié)同作用。“例如，刪除兩個(gè)外排泵編碼基因CDR1和CDR2，或TPO3和CDR2，使白色念珠菌對(duì)氟康唑和其他抗真菌藥物高度敏感，這表明同時(shí)靶向兩種機(jī)制有助于克服耐藥性，“柯林斯團(tuán)隊(duì)的博士后研究員麗貝卡夏皮羅博士說。夏皮羅與亞歷杭德羅·查韋斯博士合作，作為該出版物的首批合著者。查韋斯是前博士后研究員，曾與教會(huì)和柯林斯合作過;他現(xiàn)在是紐約哥倫比亞大學(xué)的助理教授。“在生物膜形成中我們還發(fā)現(xiàn)，ALS3粘附因子基因的缺失與其他幾種粘附因子基因的喪失協(xié)同作用，這使其成為生物膜粘附的高度互聯(lián)中心，也是進(jìn)一步探索的有趣候選者。

該研究為了解白色念珠菌的發(fā)病機(jī)制和耐藥性的困難領(lǐng)域提供了新的進(jìn)展。“我們現(xiàn)在可以更好地處理構(gòu)成白色念珠菌毒力的遺傳網(wǎng)絡(luò)如何組織，看看它們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)特定的環(huán)境和藥物擾動(dòng)，從而發(fā)現(xiàn)新的脆弱性，將來可能導(dǎo)致新藥目標(biāo)和聯(lián)合療法，“柯林斯博士說，他也是麻省理工學(xué)院(麻省理工學(xué)院)醫(yī)學(xué)工程和科學(xué)的Termeer教授，麻省理工學(xué)院的生物工程教授。“而且，我們的基因驅(qū)動(dòng)力陣列平臺(tái)可以作為其他真菌病原體類似方法的藍(lán)圖，例如新出現(xiàn)的念珠菌，它具有高度耐藥性，已被疾病控制和預(yù)防中心標(biāo)記為威脅。

“這兩個(gè)Wyss研究所的使能技術(shù)平臺(tái)，吉姆柯林斯和喬治教會(huì)的教師領(lǐng)導(dǎo)之間的這種共生合作，引發(fā)了對(duì)這種傳染性真菌病原體的生物學(xué)以及它如何產(chǎn)生抗性的重要新見解，此外還開辟了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)更有效的抗真菌療法的途徑，“Wyss研究所創(chuàng)始主任Donald Ingber，醫(yī)學(xué)博士，博士，同時(shí)也是HMS血管生物學(xué)的Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及SEAS生物工程教授。