發(fā)表在《細胞宿主微生物》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期的更廣泛。這些抗CRISPR可能在未來更好地用于調控CRISPR-Cas9系統(tǒng)的活性。
CRISPR系統(tǒng)是一種細菌免疫系統(tǒng),它使細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,目前在生命科學行業(yè)得到了廣泛應用,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,在病毒和細菌的進化軍備競賽中,噬菌體進化出了抗CRISPR蛋白來克服細菌CRISPR系統(tǒng)。這些蛋白質可以迅速抑制宿主細菌的防御系統(tǒng),使細菌容易受到感染。
盡管它們具有重要的生物學意義,但到目前為止,在非常特定的細菌亞組中只發(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)細菌并能夠感染和避免監(jiān)控內源性CRISPR Cas9系統(tǒng)的噬菌體。
“我們采用了不同的方法,側重于抗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)或感染的細菌中發(fā)現(xiàn)抗CRISPR。結果非常令人興奮,”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,在細菌細胞的質粒上隨機表達。該細胞含有選擇抗CRISPR活性的遺傳線路。簡而言之,這意味著含有潛在抗CRISPR基因質粒的細胞將對某些抗生素產生耐藥性。相反,不能被質粒賦予抗CRISPR活性的細胞會死亡。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)境的細菌中,如生活在昆蟲腸道、海水和食物中的細菌。這表明新發(fā)現(xiàn)的基因在生命之樹的許多細菌分支中傳播,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)被水平轉移了幾次。
諾和諾德基金會(Novo Nordisk Foundation)科學總監(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,從生物學的角度來看,它們非常有用,意義重大。)。
這些結果表明,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閉系統(tǒng)來測試活動。因此,這些新蛋白質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,進一步的調查將非常令人興奮。
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