該研究為CRISPR免疫系統(tǒng)的進(jìn)化提供了新的思路

通過對遺傳工具CRISPR(可以直接編輯我們的基因)如何進(jìn)化和適應(yīng)的新見解，我們現(xiàn)在離理解自然界不斷為生存而斗爭的基礎(chǔ)又近了一步。研究結(jié)果可用于未來的生物技術(shù)。

2020年，諾貝爾化學(xué)獎授予了伊曼紐爾夏彭蒂埃(Emmanuelle Charpentier)和詹妮弗杜德(Jennifer A. Doudna)，他們發(fā)現(xiàn)了CRISPR-Cas背后的分子機(jī)制，并將這一技術(shù)用作遺傳工具。雖然CRISPR-Cas在生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)中有許多用途，但它起源于自然界，在自然界中具有微生物免疫系統(tǒng)的功能。

正如我們的免疫系統(tǒng)記得已經(jīng)暴露在我們生活中的病原體一樣，CRISPR-Cas使微生物能夠通過在自己的基因組中儲存少量病毒脫氧核糖核酸，對以前遇到的病毒做出快速反應(yīng)。

CRISPR-Cas自然存在于大多數(shù)細(xì)菌和所謂的古細(xì)菌中。在考察地球生命起源時，古細(xì)菌特別有趣，因為它們在細(xì)菌和像我們這樣的高等真核生物細(xì)胞之間形成了“缺失的聯(lián)系”。因此，對這些生物的研究可以為我們提供關(guān)于CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)是如何進(jìn)化上億年的重要見解。

新的結(jié)果揭示了為什么CRISPR-Cas基因中存在毒素。

奧胡斯大學(xué)分子生物學(xué)和遺傳學(xué)系的研究人員的新研究成果——與美國弗吉尼亞州哥本哈根大學(xué)和老米農(nóng)大學(xué)的領(lǐng)先研究人員密切合作獲得，并發(fā)表在兩個領(lǐng)先的國際期刊上——現(xiàn)在揭示了CRISPR-Cas是如何在地球生命發(fā)展的早期階段出現(xiàn)的，以及這種免疫系統(tǒng)是如何不斷適應(yīng)新挑戰(zhàn)的。

由副教授Ditlev E.Brodersen領(lǐng)導(dǎo)的奧胡斯研究小組發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)將外來病毒DNA摻雜到微生物自身基因組中的CRISPR-Cas的一部分是如何起源于細(xì)菌和古細(xì)菌中另一個非常常見的基因，并令人驚訝地編碼毒素的。

因此，新的知識為進(jìn)化過程提供了見解，在進(jìn)化過程中，毒素基因存在于生命發(fā)展的早期階段，隨著時間的推移，它被整合并適應(yīng)到CRISPR-Cas模塊的一部分，這是許多微生物迄今為止所擁有的。我們第一次有了一個長期困擾研究者的答案，那就是為什么毒素基因存在于CRISPR-Cas基因中。

研究人員了解一些蛋白質(zhì)如何在幾種不同的情況下被“回收”是非常有用的。因為當(dāng)我們知道某些蛋白質(zhì)的所有功能時，就有可能將其作為基因工程中的一種特定工具。例如，它可能會導(dǎo)致病原菌將其CRISPR-Cas系統(tǒng)引向自身，從而避免感染。"

在著名雜志《自然通訊》上發(fā)表的另一篇文章中，研究人員描述了新的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)為代表他們最大敵人的微生物和病毒之間的持續(xù)斗爭提供了見解。

在沸騰的冰島水坑中，有一種非常特殊的生物，即名為孤島硫藻的古細(xì)菌。這種細(xì)菌已經(jīng)適應(yīng)了這個地方的生活。這種細(xì)菌的恒溫溫度為80-100，酸度相當(dāng)于胃酸，是地球上最荒涼的地方之一。

然而，即使硫桿菌選擇了一個非常沒有吸引力的生存環(huán)境，它仍然會遇到阻力，尤其是小桿狀病毒不斷在細(xì)胞上穿孔，并將其外來的DNA注入其中，導(dǎo)致了硫桿菌的爆炸。大量的新病毒顆粒。為了避免這種命運，磺基龍蝦開發(fā)了一個CRISPR-Cas防御系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)，它在自己的基因組中存儲了一小部分病毒脫氧核糖核酸，以抵御這些攻擊。

然而，在不斷升級的生死之爭中，病毒提出了一個對策：它設(shè)法通過生產(chǎn)一種小武器來對付它，這種小武器是一種抗CRISPR蛋白，可以像翻轉(zhuǎn)一輛蘋果汽車一樣，在硫桿菌中阻止CRISPR-Cas反應(yīng)。

奧胡斯大學(xué)迪特列夫e布羅德森小組的新成果是與哥本哈根大學(xué)生物系副教授徐鵬密切合作產(chǎn)生的。這是第一次證明這場斗爭是如何在沸騰的水池中發(fā)生的。

研究人員已經(jīng)能夠看到抗CRISPR蛋白如何與CRISPR-Cas系統(tǒng)中最大的蛋白牢固結(jié)合，從而直接防止其破壞病毒DNA。這樣，病毒至少繞過了一段時間，被CRISPR-Cas擊敗。新的結(jié)果使科學(xué)家能夠理解自然界正在進(jìn)行的軍備競賽，以及生命的進(jìn)化是一場持續(xù)的生存斗爭這一事實。

——“我們現(xiàn)在知道了抗CRISPR蛋白如何阻斷CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，所以問題是這場軍備競賽的下一步。”列夫布羅德森說。“也許微生物會開始形成抗CRISPR蛋白，這是第三種可以阻止抗CRISPR蛋白發(fā)揮作用的蛋白，但我們還沒有在古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)它們。所以現(xiàn)在，這種情況又開始了。列夫布羅德森說，“磺基龍蝦占了一半”，“冷戰(zhàn)在沸騰的水池里總是熱的”。

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