細(xì)菌和感染細(xì)菌的病毒參與了分子生命競賽，就像生命本身一樣古老。進(jìn)化為細(xì)菌配備了一系列免疫酶，包括CRISPR-Cas系統(tǒng)，它們可靶向并破壞病毒DNA。但是，殺死細(xì)菌的病毒(也稱為噬菌體)已經(jīng)設(shè)計(jì)出了自己的工具，以幫助他們克服甚至最強(qiáng)大的細(xì)菌防御能力。

現(xiàn)在，加州大學(xué)舊金山分校和圣地亞哥大學(xué)圣地亞哥分校的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種非凡的新策略，一些噬菌體可以采用這種新策略來避免成為這些DNA切割酶的下一個(gè)受害者：在感染細(xì)菌之后，這些噬菌體在細(xì)菌內(nèi)部構(gòu)成了一個(gè)難以穿透的“安全室”。它們的宿主，可保護(hù)脆弱的噬菌體DNA免受抗病毒酶的侵害。類似于細(xì)胞核的該區(qū)室是病毒中發(fā)現(xiàn)的最有效的CRISPR屏蔽。

約瑟夫·邦迪說：“在我們的實(shí)驗(yàn)中，這些噬菌體并未屈服于受到挑戰(zhàn)的任何靶向DNA的CRISPR系統(tǒng)。這是任何人第一次發(fā)現(xiàn)這種噬菌體表現(xiàn)出這種泛泛CRISPR抗性。”加州大學(xué)舊金山分校微生物學(xué)和免疫學(xué)系助理教授Denomy博士。Bondy-Denomy領(lǐng)導(dǎo)了進(jìn)行這一發(fā)現(xiàn)的研究團(tuán)隊(duì)，該研究團(tuán)隊(duì)的詳細(xì)信息將在2019年12月9日發(fā)表在《自然》雜志上。

尋找CRISPR無法切割的DNA

為了找到抗CRISPR的噬菌體，研究人員從五個(gè)不同的噬菌體家族中選出病毒，并用它們感染經(jīng)過基因工程改造以部署四種不同的Cas酶的普通細(xì)菌，Cas酶是CRISPR系統(tǒng)的DNA切割成分。

這些經(jīng)過CRISPR強(qiáng)化的細(xì)菌在對抗它們所面對的大多數(shù)噬菌體方面取得了勝利。但是發(fā)現(xiàn)兩個(gè)巨型噬菌體(因?yàn)樗鼈兊幕蚪M是研究最深入的噬菌體的基因組的基因組的五至十倍)而得名，因此無法對所有四個(gè)CRISPR系統(tǒng)產(chǎn)生滲透。

研究人員決定對這些巨型噬菌體進(jìn)行測試，并探究其CRISPR抗性的極限。他們將它們暴露于配備了完全不同類型的CRISPR的細(xì)菌，以及暴露于限制性修飾系統(tǒng)的細(xì)菌(一種比CRISPR更普遍的DNA切割酶)(在大約90%的細(xì)菌物種中發(fā)現(xiàn)了限制性系統(tǒng)， CRISPR僅占大約40%)，但只能靶向有限數(shù)量的DNA序列。結(jié)果與以前相同：培養(yǎng)皿中散落著噬菌體感染細(xì)菌的殘留物。

“這真是令人驚訝，因?yàn)槲覀儗⒓?xì)菌改造成能大量過量生產(chǎn)免疫系統(tǒng)的成分，但是它們中的任何一個(gè)都不能切割噬菌體DNA。這些噬菌體對所測試的所有六個(gè)細(xì)菌免疫系統(tǒng)均具有抗性。 Bondy-Denomy。

看來，巨噬細(xì)胞實(shí)際上是堅(jiān)不可摧的。但是試管實(shí)驗(yàn)卻提出了另外一個(gè)建議：事實(shí)上，巨噬細(xì)胞DNA與其他任何DNA一樣，都容易受到CRISPR和限制酶的攻擊。在噬菌體感染的細(xì)胞中觀察到的CRISPR抗性必須是病毒產(chǎn)生的某種東西干擾CRISPR的結(jié)果。但是呢

反CRISPR是一個(gè)明顯的罪魁禍?zhǔn)?。這些蛋白質(zhì)由Bondy-Denomy于2013年首次發(fā)現(xiàn)，是某些噬菌體基因組中編碼的有效CRISPR滅活劑。但是當(dāng)研究人員分析巨型噬菌體基因組序列時(shí)，卻找不到反CRISPR基因。另外，每種已知的抗CRISPR只能禁用特定的CRISPR系統(tǒng)，而巨型噬菌體對投擲在其上的每種抗病毒酶均具有抗性。保護(hù)巨型噬菌體DNA的任何方法都必須基于其他機(jī)制。

發(fā)現(xiàn)：難以穿透的CRISPR盾

基于顯微鏡的實(shí)驗(yàn)最終揭示了正在發(fā)生的事情。當(dāng)這些巨型噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，它們會(huì)在宿主細(xì)胞的中間建立一個(gè)球形隔室，從而將抗病毒酶拒之門外，并為病毒基因組復(fù)制提供“安全空間”。

事實(shí)證明，該隔室與UCSD教授Joe Pogliano博士和UCSF教授David Agard博士于2017年首次發(fā)現(xiàn)的相同，他們都是這項(xiàng)新研究的合著者。盡管這些研究人員先前已證明噬菌體基因組在此核樣外殼中復(fù)制，但直到現(xiàn)在為止還沒有人知道該外殼還可以作為針對CRISPR和其他DNA標(biāo)記的不可穿透的屏蔽。

盡管如此，關(guān)于外殼和構(gòu)建外殼的病毒的許多問題仍未得到解答，包括有關(guān)構(gòu)建外殼的蛋白質(zhì)的基本細(xì)節(jié)。

“這是在對這些噬菌體進(jìn)行測序時(shí)發(fā)現(xiàn)的許多假想蛋白質(zhì)之一?？磥硭鞘删w所特有的，但并不常見。甚至在一些密切相關(guān)的噬菌體中也沒有發(fā)現(xiàn)。我們也不知道蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)看起來就像是原子級。”

但是，殼的蛋白質(zhì)構(gòu)建基并不是Bondy-Denomy及其同事渴望解決的唯一謎團(tuán)。當(dāng)研究人員在顯微鏡下監(jiān)視噬菌體感染的細(xì)菌時(shí)，他們注意到了一些不尋常的現(xiàn)象：在組裝噬菌體的安全室時(shí)，這一過程大約需要30分鐘，其基因組仍保留在將其注入宿主細(xì)胞的位置。在這段時(shí)間內(nèi)，噬菌體基因組似乎易受宿主細(xì)胞周圍漂浮的任何抗病毒酶的攻擊。但是不知何故，當(dāng)安全室正在建設(shè)中時(shí)，基因組仍保持完整。

邦迪·迪諾姆(Bondy-Denomy)表示：“我們認(rèn)為某種預(yù)殼可以在早期保護(hù)注入的DNA。這就像是在殼最終組裝好后脫落的裝甲。但是我們不知道該裝甲是什么。”找出這些噬菌體如何在病毒生命周期的每個(gè)步驟中保護(hù)自己免受CRISPR侵害。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，外殼并不像最初的實(shí)驗(yàn)所建議的那樣堅(jiān)不可摧。該研究的主要作者塞尼·門多薩(Bondy-Denomy Lab)的研究生通過一些巧妙的工程設(shè)計(jì)，找到了一種方法，可以通過在一種病毒外殼蛋白上連接一種限制性酶來繞開類似核的屏蔽層。這種特洛伊木馬策略使DNA切割限制酶可以在組裝過程中潛入殼中，并在原本被認(rèn)為是無免疫力的區(qū)域內(nèi)切碎噬菌體基因組，從而使細(xì)菌得以生存。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)令研究人員特別興奮，因?yàn)樗砻鲗?shí)際上有一些方法可以突破“難以穿透的”安全室?？紤]到細(xì)菌和噬菌體一直在尋找破壞對方防御的新方法，邦迪-德諾姆認(rèn)為，科學(xué)家最終將發(fā)現(xiàn)細(xì)菌已經(jīng)具備了突破或繞過該核樣隔室所需的工具的武裝。

Bondy-Denomy說：“我們正在尋找細(xì)菌繞過殼層的方式。在這場斗爭中，這絕不是一切。” “也許有些細(xì)菌將免疫酶融合到噬菌體蛋白上，然后進(jìn)入外殼?；蛘呒?xì)菌會(huì)盜取噬菌體基因并將其用于噬菌體。我認(rèn)為我們最終會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中有很多細(xì)菌與構(gòu)建這些外殼的噬菌體作斗爭的方法，我們可能會(huì)對它們的操作方式感到驚訝。”