科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種用于抵御病毒的聰明的排名策略
與人類一樣,細(xì)菌受到病毒的攻擊,依靠免疫系統(tǒng)來保護(hù)自己。被稱為CRISPR的細(xì)菌免疫系統(tǒng)可幫助微生物“記住”它們遇到的病毒,并在將來更容易抵御它們。自從研究人員在2000年代中期首次發(fā)現(xiàn)CRISPR以來,他們發(fā)現(xiàn)了一些特殊的東西:它記錄了與病毒的對(duì)抗,將最近的攻擊置于一系列遺傳編碼的記憶中。
現(xiàn)在,洛克菲勒大學(xué)的兩位研究人員已經(jīng)解釋了為什么微生物以這種特殊的方式存儲(chǔ)他們的免疫記憶。他們的結(jié)果于9月8日在Molecular Cell中描述。“直到現(xiàn)在,還沒有人知道這種組織特征是否有用,更不用說可能是什么了,”資深作者Luciano Marraffini說,他是副教授兼細(xì)菌學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人。“我們找到了答案:它允許微生物對(duì)其最近的威脅發(fā)起最強(qiáng)的免疫反應(yīng),這可能是最有效的威脅。”
微生物CRISPR系統(tǒng)通過從它們捕獲遺傳片段并將它們像珠子一樣存儲(chǔ)在弦上來記憶病毒。(CRISPR代表聚集的規(guī)則間隔短回文重復(fù)序列。)如果細(xì)胞再次遇到特定病毒,則CRISPR相關(guān)(Cas)酶使用這些稱為間隔物的片段來識(shí)別和切割病毒。由于這種精確性,一個(gè)這樣的系統(tǒng)CRISPR-Cas9已成為編輯基因組的強(qiáng)大工具。
一段時(shí)間以來,研究人員一直想知道為什么CRISPR系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)與細(xì)菌攻擊病毒相遇的時(shí)間記錄,稱為噬菌體。
Marraffini和第一作者,實(shí)驗(yàn)室的研究生Jon McGinn確定,他們稱之為領(lǐng)導(dǎo)錨定序列的一小塊細(xì)菌基因組負(fù)責(zé)將最新的病毒片段指向CRISPR內(nèi)的第一個(gè)位置。當(dāng)這個(gè)序列被改變時(shí),CRISPR停止向前面添加新的間隔物并開始將它們進(jìn)一步插入下游。
他們發(fā)現(xiàn)帶有錯(cuò)位的間隔物的細(xì)菌仍然能夠抵抗低濃度的噬菌體,但是在高水平的噬菌體中這些細(xì)菌更容易受到攻擊。
“當(dāng)周圍的其他受感染細(xì)胞死亡并釋放出新的病毒顆粒的天文水平時(shí),一個(gè)單獨(dú)的細(xì)菌會(huì)獲得新的間隔物,”McGinn說。“我們認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)確保細(xì)胞能夠在其生存的菌落被噬菌體淹沒時(shí)自我保護(hù)。”
雖然這項(xiàng)研究有助于科學(xué)家了解CRISPR系統(tǒng)如何在其天然細(xì)菌中發(fā)揮作用,但它也可能對(duì)基于CRISPR的新型生物技術(shù)產(chǎn)生影響,這種生物技術(shù)迄今仍然是科幻小說的一部分。
“合成生物學(xué)家有創(chuàng)造生物記錄設(shè)備的雄心,這些設(shè)備可以使用活細(xì)胞來存儲(chǔ)信息。例如,這樣的技術(shù)可以記錄細(xì)胞暴露于環(huán)境刺激甚至是腦細(xì)胞的活動(dòng)”Marraffini說。“通過獲取病毒攻擊的連續(xù)遺傳記憶,CRISPR已經(jīng)完成了這個(gè)版本,我們的工作有助于解釋這個(gè)潛在模板是如何工作的。”
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