在土壤和人體腸道中發(fā)現(xiàn)新的抗CRISPR蛋白

發(fā)表在《細(xì)胞宿主微生物》雜志上的一項新研究表明，一些抗CRISPR蛋白在自然界中比以前預(yù)期的更廣泛。這些抗CRISPR可能在未來更好地用于調(diào)控CRISPR-Cas9系統(tǒng)的活性。

CRISPR系統(tǒng)是一種細(xì)菌免疫系統(tǒng)，它使細(xì)菌能夠有針對性地抵抗病毒(噬菌體)的感染。

CRISPR系統(tǒng)，尤其是Cas9，由于其可編程特性，目前在生命科學(xué)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，有潛力提供突破性的基因治療、新型抗生素和瘧疾治療。

有趣的是，在病毒和細(xì)菌的進化軍備競賽中，噬菌體進化出了抗CRISPR蛋白來克服細(xì)菌CRISPR系統(tǒng)。這些蛋白質(zhì)可以迅速抑制宿主細(xì)菌的防御系統(tǒng)，使細(xì)菌容易受到感染。

盡管它們具有重要的生物學(xué)意義，但到目前為止，在非常特定的細(xì)菌亞組中只發(fā)現(xiàn)了少數(shù)抗CRISPR蛋白。目前的抗CRISPR蛋白在自然界中并不豐富。并且已經(jīng)通過研究能夠感染攜帶CRISPR-Cas9的細(xì)菌的噬菌體的DNA而被鑒定出來。利用這種方法，人們依靠能夠培養(yǎng)細(xì)菌并能夠感染和避免監(jiān)控內(nèi)源性CRISPR Cas9系統(tǒng)的噬菌體。

“我們采用了不同的方法，側(cè)重于抗CRISPR的功能活性，而不是DNA序列的相似性。這種方法使我們能夠在不能被噬菌體培養(yǎng)或感染的細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)抗CRISPR。結(jié)果非常令人興奮，”諾和諾德基金會生物可持續(xù)發(fā)展中心(DTU)博士后魯本瓦茲奎烏里韋說。

研究人員通過使用來自四個人類糞便樣本、兩個土壤樣本、一個牛糞便樣本和一個豬糞便樣本的總脫氧核糖核酸來鑒定抗CRISPR基因。將DNA切成小塊，在細(xì)菌細(xì)胞的質(zhì)粒上隨機表達。該細(xì)胞含有選擇抗CRISPR活性的遺傳線路。簡而言之，這意味著含有潛在抗CRISPR基因質(zhì)粒的細(xì)胞將對某些抗生素產(chǎn)生耐藥性。相反，不能被質(zhì)粒賦予抗CRISPR活性的細(xì)胞會死亡。通過該系統(tǒng)，研究人員可以輕松檢測和選擇具有抗CRISPR活性的DNA，并追溯其來源。

利用這種宏基因組文庫方法，科學(xué)家可以鑒定出11個可以避免Cas9活性的DNA片段。

進一步的表征可以證實四種新的抗CRISPR活性。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，糞便樣本中發(fā)現(xiàn)的基因存在于各種環(huán)境的細(xì)菌中，如生活在昆蟲腸道、海水和食物中的細(xì)菌。這表明新發(fā)現(xiàn)的基因在生命之樹的許多細(xì)菌分支中傳播，在某些情況下，有證據(jù)表明其中一些基因在進化過程中已經(jīng)被水平轉(zhuǎn)移了幾次。

諾和諾德基金會(Novo Nordisk Foundation)科學(xué)總監(jiān)、生物可持續(xù)性研究中心(DTU)教授莫滕索默(Morten Sommer)表示：“我們發(fā)現(xiàn)的抗CRISPR藥物在自然界中如此豐富，這一事實表明，從生物學(xué)的角度來看，它們非常有用，意義重大。)。

這些結(jié)果表明，抗CRISPRs可能在噬菌體和宿主之間的相互作用中發(fā)揮比以前建議的更大的作用。

該領(lǐng)域的早期研究已經(jīng)證明，在實驗室的基因組編輯中，抗CRISPR蛋白可以用來減少錯誤，例如在非靶位點切割DNA。

“如今，大多數(shù)使用CRISPR-Cas9的研究人員在控制系統(tǒng)和非目標(biāo)活動方面都存在困難。因此，反CRISPR系統(tǒng)非常重要，因為你希望能夠打開和關(guān)閉系統(tǒng)來測試活動。因此，這些新蛋白質(zhì)可能會變得非常有用，”Morten Sommer說。

研究人員實際上發(fā)現(xiàn)，這四種新的抗CRISPR蛋白似乎具有不同的特征和特性。展望未來，進一步的調(diào)查將非常令人興奮。

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