聪明的工具编辑细菌感染病毒的基因组
获得诺贝尔奖的基因编辑技术CRISPR有望再次对微生物学和医学领域产生深远影响。
由CRISPR先驱詹妮弗·杜德纳(Jennifer Doudna)和她的长期合作者吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)领导的团队开发了一种聪明的工具，可以使用一种罕见的CRISPR形式编辑细菌感染病毒噬菌体的基因组。容易设计定制噬菌体的能力——长期以来一直困扰着研究界——可以帮助研究人员在没有抗生素或苛刻化学物质的情况下控制微生物群治疗危险的耐药感染．最近有一篇论文描述了这项工作发表在微生物学性质．
“噬菌体是地球上最丰富、最多样化的生物实体之一。与之前的方法不同，这种编辑策略可以对抗噬菌体的巨大遗传多样性，”杜德纳实验室的博士后、第一作者本杰明·阿德勒说。“这里有这么多令人兴奋的方向——发现真的就在我们的指尖!”
噬菌体，也简称为噬菌体，利用一种类似注射器的装置将它们的遗传物质插入细菌细胞，然后劫持宿主的蛋白质构建机制以实现自我繁殖——通常在这个过程中杀死细菌。(它们对包括我们人类在内的其他生物无害，尽管电子显微镜图像显示它们看起来像邪恶的外星宇宙飞船。)
CRISPR-Cas是一种免疫防御机制，许多细菌和古生菌都使用它来对抗噬菌体。CRISPR-Cas系统由与噬菌体基因序列互补的RNA短片段组成，允许微生物识别侵入性遗传物质何时被插入，以及在RNA引导后通过将噬菌体基因切割成无害片段来中和噬菌体基因的剪刀状酶。
数千年来，噬菌体进攻和细菌防御之间的永恒进化斗争迫使噬菌体特殊化。有很多微生物，所以也有很多噬菌体，每一种都有独特的适应性。这种惊人的多样性使得噬菌体编辑变得困难，包括使它们抵抗多种形式的CRISPR，这就是为什么最常用的系统CRISPR- cas9不适用于这种应用。
“噬菌体有很多方法来逃避防御，从抗crispr到只擅长修复自己的DNA，”阿德勒说。“因此，在某种意义上，噬菌体基因组中编码的适应性使它们如此擅长操纵微生物，这与开发一种编辑它们基因组的通用工具如此困难的原因是完全相同的。”
项目负责人Doudna和Banfield自2008年首次合作进行CRISPR的早期研究以来，已经共同开发了许多基于CRISPR的工具。这项在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)完成的工作，在杜德纳和她的另一位合作者Emmanuelle Charpentier于2020年获得诺贝尔奖时，被诺贝尔奖委员会引用。Doudna和Banfield的伯克利实验室团队以及加州大学伯克利分校的研究人员正在研究一种叫做CRISPR- cas13的罕见形式的CRISPR(来源于人类口腔中常见的一种细菌)的特性，当时他们发现这种防御系统可以对抗大量的噬菌体。
阿德勒解释说，考虑到使用CRISPR-Cas13的微生物很少，它对抗噬菌体的能力是出乎意料的。科学家们加倍惊讶，因为它在测试中击败的噬菌体都是使用双链DNA感染的，但CRISPR-Cas13系统只靶向并切割单链病毒RNA。像其他类型的病毒一样，一些噬菌体具有基于dna的基因组，而一些噬菌体具有基于rna的基因组。然而，所有已知的病毒都使用RNA来表达它们的基因。CRISPR-Cas13系统有效地中和了9种不同的DNA噬菌体，这些噬菌体都感染了病毒株大肠杆菌,然而他们的基因组几乎没有相似之处。
根据合著者和噬菌体专家Vivek Mutalik(伯克利实验室生物科学领域的工作人员科学家)的研究，这些发现表明，CRISPR系统可以在蛋白质翻译之前由细菌自身的酶从DNA转化为RNA后，通过靶向它们的RNA来防御各种基于DNA的噬菌体。
接下来，该团队证明了该系统可以用于编辑噬菌体基因组，而不仅仅是防御性地切割它们。
首先，他们将由他们想要创造的噬菌体序列组成的DNA片段放在原生噬菌体序列的两侧，并将它们放入噬菌体的目标细菌中。当噬菌体感染携带DNA的微生物时，在微生物内部繁殖的一小部分噬菌体会吸收改变后的DNA，并将其整合到自己的基因组中，取代原来的序列。这一步是一项长期存在的DNA编辑技术，称为同源重组。在噬菌体研究中存在了几十年的问题是，尽管这一步，实际的噬菌体基因组编辑，工作得很好，但从更大的正常噬菌体库中分离和复制编辑过的序列的噬菌体是非常棘手的。
这就是CRISPR-Cas13的用武之地。在第二步中，科学家们设计了另一株宿主微生物，使其包含一个CRISPR-Cas13系统，该系统可以感知和防御正常的噬菌体基因组序列。当第一步制造的噬菌体暴露于第二轮宿主时，具有原始序列的噬菌体被CRISPR防御系统击败，但少数经过编辑的噬菌体能够躲避它。它们存活下来并复制了自己。
三个不相关的实验大肠杆菌噬菌体显示出惊人的成功率:在两步过程中产生的噬菌体中，超过99%的噬菌体包含编辑，从大量的多基因删除一直到精确替换单个氨基酸。
穆塔利克说:“在我看来，这项关于噬菌体工程的工作是噬菌体生物学的最高里程碑之一。”“由于噬菌体影响微生物生态学、进化、种群动态和毒性，细菌及其噬菌体的无缝工程对基础科学具有深远的影响，而且也有可能在生物经济的各个方面产生真正的影响。除了人类健康，这种噬菌体工程能力还将影响从生物制造和农业到食品生产的一切。”
受到初步结果的鼓舞，科学家们目前正在努力将CRISPR系统扩展到更多类型的噬菌体上，从影响微生物土壤群落的噬菌体开始。bet188真人他们还将其作为一种工具来探索噬菌体基因组中的遗传奥秘。谁知道细菌和病毒之间的微观战争的战利品还能激发出什么其他惊人的工具和技术呢?
参考:Adler BA, Hessler T, Cress BF，等。广谱CRISPR-Cas13a实现高效的噬菌体基因组编辑。Nat Microbiol．2022; 7(12): 1967 - 1979。doi:10.1038 / s41564 - 022 - 01258 - x
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