細(xì)菌利用CRISPR/Cas系統(tǒng)躲避宿主免疫系統(tǒng)

成簇的規(guī)律間隔性短回文重復(fù)序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences, CRISPR)是細(xì)菌用來抵抗病毒的一種基因系統(tǒng).在一項新的研究中,來自美國埃默里大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)CRISPR參與協(xié)助一些細(xì)菌躲避哺乳動物免疫系統(tǒng).

細(xì)菌利用CRISPR進行自我保護.它的功能zui初是由乳制品行業(yè)研究人員試圖阻止噬菌體(感染細(xì)菌的病毒)毀壞用來制造奶酪和酸奶的細(xì)菌培養(yǎng)物的過程中發(fā)現(xiàn)的.細(xì)菌將來自噬菌體的小片段DNA整入到它們自身的CRISPR區(qū)域,并且通過攝入噬菌體的DNA所獲得信息來阻止這些病毒的入侵.

如今,在這項新的研究中,研究人員證實與一種導(dǎo)致兔熱病的細(xì)菌和另一種導(dǎo)致腦膜炎的細(xì)菌親緣關(guān)系較近的新兇手弗朗西絲菌(Francisella novicida, 簡稱F. novicida)需要CRISPR系統(tǒng)的一部分來維持傳染性.在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)生長的細(xì)菌F. novicida利用CRISPR系統(tǒng)的一部分關(guān)閉一種細(xì)菌基因從而逃避它們的宿主利用這種基因觸發(fā)的檢測和破壞.

在此之前,科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)功能喪失的CRISPR系統(tǒng)產(chǎn)生一種功能減弱的細(xì)菌菌株,從而使得免疫系統(tǒng)更容易識別到它.這一發(fā)現(xiàn)可能加快疫苗開發(fā).但是這項新的研究也提示著在生物學(xué)中,防御性工具能夠被用于躲避.

論文通信作者、埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)助理教授David Weiss博士說,"CRISPR系統(tǒng)是細(xì)菌的防御系統(tǒng),但是我們發(fā)現(xiàn)細(xì)菌能夠主動地利用它躲避宿主免疫系統(tǒng)的識別,從而導(dǎo)致疾病."

當(dāng)初作為一名博士后與斯坦福大學(xué)教授Denise Monack一起開展研究時,Weiss首先分離出CRISPR系統(tǒng)存在缺陷的F. novicida菌株. F. novicida感染嚙齒類動物,而且只有在罕見的情況下才感染人類.它是研究更為危險的土拉熱弗朗西絲菌(Francisella tularensis, F. tularensis)的模型,其中F. tularensiss是一種潛在的生物武器.在此之前,Weiss一直在F. novicida內(nèi)尋找在它導(dǎo)致活的動物患病中發(fā)揮重要作用的基因.

Weiss說,"基因突變在細(xì)菌中發(fā)揮著較強的影響.野生型F. novicida菌株能夠殺死小鼠,但是它的突變體菌株在小鼠體內(nèi)幾天之后會被清除.但是為何這些細(xì)菌需要抵抗外源DNA才能導(dǎo)致小鼠患病？這說不通."

在當(dāng)前這項研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)F. novicida感染哺乳動物細(xì)胞時,它們需要CRISPR系統(tǒng)中的一個基因來關(guān)閉一種脂蛋白(細(xì)菌細(xì)胞膜上的一部分)的產(chǎn)生.這種脂蛋白能夠激活哺乳動物免疫細(xì)胞.因此,這種細(xì)菌為了繼續(xù)存活下去且不被免疫系統(tǒng)檢測到,它們不得不阻止脂肪白產(chǎn)生.

一起仔細(xì)分析了CRISPR系統(tǒng)中的哪一部分是關(guān)閉這種脂蛋白所必需的.這種CRISPR系統(tǒng)是由幾個蛋白編碼基因組成的,而且也將來自噬菌體的小片段DNA作為重復(fù)序列整合進這種細(xì)菌的DNA中.由這種重復(fù)序列產(chǎn)生的RNA指導(dǎo)酶Cas9將噬菌體DNA切割成碎片.

比如,一些鏈球菌和李斯特菌具有類似的CRISPR系統(tǒng),但是科學(xué)家們目前還沒有發(fā)現(xiàn)這一系統(tǒng)在這些細(xì)菌導(dǎo)致人類患病的過程中存在著任何潛在的作用.Weiss和Sampson計劃進一步研究Cas9如何發(fā)揮作用而關(guān)閉中F. novicida的脂蛋白基因和Cas9是如何被激活的.