合成生物催化剂 摘译自:https://www.nature.com/articles/d41586-019-01595-8

    Meeske研究组在一种CRISPR-Cas系统中实践了其如何攻击噬菌体RNA来保护细菌不受噬菌体感染这一过程,揭示了对CRISPR-Cas防御机制理解中的一个奇特转折。作者报导了CRISPR-Cas系统对噬菌体RNA侵入作出反应时,会同时将噬菌体以及细菌本身的RNA进行破坏,导致细菌进入休眠状态,关闭部分细胞活动来阻止病毒RNA复制。Meeske研究组揭示了这一自体诱导的细菌休眠状态会帮助抑制病毒的蔓延,也会抑制有能力逃脱CRISPR-Cas防御系统的病毒变异体和并非触发细菌休眠状态原由的病毒。使受感染细菌休眠的防御反应可能会对周边健康细菌有利,且与其它病毒防御机制有趣地相像,例如细菌的abortive-infection 系统或由动植物免疫系统导致的细胞死亡。


CRISPR-Cas 系统被分为六个类型(I-VI),大部分系统都会捕捉并存储一段病毒的DNA序列作为”记忆“,从而应对下一次噬菌体的侵入。这些序列被用来制造RNA向导,使Cas酶可以指向性地破坏入侵病毒的RNADNA。其中VICRISPR-Cas系统是十分独特的,虽然大部分噬菌体偏向拥有DNA基因组,但VICRISPR-Cas系统只会破坏病毒的RNA但不会破坏DNAVICRISPR-Cas系统使用了Cas13酶,在之前的研究中Cas13酶在应对病毒RNA时会表现出非特异性的RNA破坏活动。当细菌中的质粒被Cas13所编辑时,细菌的生长会被抑制。这表明了在没有噬菌体侵入胞内时, Cas13酶的激活也会导致非特异性的RNA破坏活动,使细胞进入一种沉睡状态,但这种沉睡状态在细胞防御机制中产生的具体作用尚未明确。

为了解决这个疑问,Meeske研究组着手对伊氏李斯特菌(Listeria ivanovii)中的VICRISPR-Cas系统及噬菌体ϕRR4进行研究。作者编辑了VI型系统来使Cas13酶指向性地攻击不同ϕRR4病毒序列,分析了这一系统防御病毒的能力。Cas13 在实验中的确指向了病毒mRNA并进行了防御活动,令人惊讶的是无论目标mRNA是否为病毒复制的核心元件,或在病毒感染前后进行基因表达,Cas13均能成功阻止其蔓延。在受感染的细胞中也观测到了大范围RNA破坏,导致受感染细胞进入沉睡状态并无法进行复制活动。

这种由Cas13诱导的沉睡活动与另一种噬菌体防御系统abortive-infection 系统的机制有些许相似性。当细菌受病毒感染,含有abortive-infection系统的细菌会死亡或进入沉睡状态,在受感染细菌的数量上进行控制从而起到病毒防御的作用。

然而由Cas13诱导的休眠状态是否会为更大数量的细菌提供群体免疫力,且抵抗力较高的细菌体是否会帮助减缓病毒对敏感个体的感染? Meeske团队在实验中确认了含有VICRISPR-Cas系统的细菌会对周边缺失防御系统的细菌形成交叉保护。观测到了在未受感染的细胞中引入Cas13诱导的休眠状态时,形成了能够减缓病毒蔓延的细菌。这或许因为休眠细胞成为了病毒的诱饵,从而减少了病毒数量使其入侵失败。在对I-ECripr-Cas系统的研究中也报道了类似细菌的休眠现象,但也许是因为噬菌体并没有在胞内被清空,使细菌防御与病毒复制陷入僵持的状态。

CRISPR-Cas防御系统需要面对的一个问题是无法识别基因变异病毒。 Meeske研究组展示了这种变异病毒的爆发是受触发细菌休眠的野生型病毒所控制的。 同时作者发现了当有VI型防御系统的细菌在应对ϕRR4噬菌体时,其它种类病毒在ϕRR4存在时的感染率也会相应降低。这种泛用性的防御机制也许会对没有诱导细菌休眠能力的CRISPR-Cas系统与没有受野生型病毒影响的病毒变异体有益。

VI型防御系统相对于其它自然界中的CRISPR-Cas系统的并不是一直处于优势的,其它CRISPR-Cas系统对病毒变异体也会有不同的应对手段,类似于使用反馈回路进行对防御目标记忆的更新,或利用其充分的灵活性来识别变异体病毒。

Cas-13引导的休眠反应对于VI型系统的病毒侵染记忆有着独特的意义,这是因为CRISPR-Cas系统对病毒记忆的形成需要目标病毒DNA或者RNA,病毒的感染和后继的细胞存活这两个步骤是更新病毒防御相关记忆所必要的。例如在II型系统中,由缺陷病毒的失败入侵可成功更新防御系统记忆且不会引起细胞死亡,这或许可以成为VICRISPR-Cas系统更新病毒记忆的方法。 然而,如果受感染的细菌从Cas13引导的休眠状态复苏且清除了病毒感染会对系统的防御性记忆更新更加有利。如果细菌休眠帮助了细菌从病毒感染中生存下来,可预见在VI型系统中的防御性记忆会指向在感染前期表达的病毒基因,使系统可以快速的减缓病毒的感染从而细菌生存率变得更高。

有趣地是,作者发现了在没有病毒入侵的情况下,Cas13在指向细菌本身的mRNA从而引导的细胞休眠可以被反转。然而,细菌是否能在病毒入侵后存活取决于在细菌休眠之前的受感染程度。由特定的RNA abortive-infection系统引导的细菌休眠,在不受病毒感染的时也是可逆的,但受病毒感染时休眠状态是否可逆仍然未知;IIICRISPR-Cas系统会在识别出病毒序列后进行非特异性的RNA破坏,当病毒的感染减缓后这一破坏活动也会终止。 如果细菌可以从VI型系统诱导的休眠状态苏醒,也许一个类似的系统也会实现对RNA分解的时间性控制。另外,其它的细胞活动因素或抗病毒防御系统也可能帮助细胞在病毒感染后的成功复原。

Meeske团队的研究进一步验证了CRISPR-Cas系统在不同情景下的特异性表现,之后的研究会对这些多样化的防御系统是如何应对自然界中不同噬菌体的机制探索进行更进一步的了解。

                                                                                                                                                                              (乐众乐 摘译)


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