新發現！Cell：噬菌體抱團抑制細菌CRISPR免疫系統

　　 在2018年7月19日同時在線發表在Cell期刊上的兩篇論文中，來自兩個研究團隊的研究人員提供了當入侵含有CRISPR的細菌時，噬菌體彼此間進行合作的證據。他們發現為了壓制CRISPR的破壞，噬菌體通過聯合起來快速地感染細菌來加以適應，而且有時一個噬菌體還會為此作為引火噬菌體（primer phage）犧牲自我。這兩個研究團隊---來自美國加州大學舊金山分校和英格蘭埃克塞特大學----著重關注細菌和噬菌體之間基于CRISPR和抗CRISPR蛋白（anti-CRISPR protein）的免疫關系。這兩篇論文的標題為“Bacteriophage Cooperation Suppresses CRISPR-Cas3 and Cas9 Immunity”和“Anti-CRISPR Phages Cooperate to Overcome CRISPR-Cas Immunity”。

圖片來自Mulepati, S., Bailey, S.; Astrojan/Wikipedia/ CC BY 3.0

　　加州大學

　　加州大學舊金山分校的研究人員意外地發現噬菌體彼此間相互合作旨在贏得與CRISPR之間的時間和數量戰爭。為了成為一種有效的免疫策略，含有CRISPR的細菌必須快速地對噬菌體攻擊作出反應，并且必須在噬菌體殺死它之前這樣做。加州大學舊金山分校的Joseph Bondy-Denomy說，“這是一個非常快速的時間和數字游戲。CRISPR蛋白必須非常快地找到病毒DNA，如果無法做到這一點，那么病毒就會繼續入侵并殺死細菌細胞。”

　　Bondy-Denomy團隊研究了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），這是已知在遭受噬菌體感染前會預先表達數百個CRISPR分子的細菌之一。當單個噬菌體基因組進入細菌細胞時，CRISPR能夠立即起作用。在一些其他的細菌中，CRISPR僅在遭受噬菌體感染時才被啟動。

　　在銅綠假單胞菌含有的大約30種已知的向導RNA（gRNA）中，每個CRISPR蛋白復合物含有其中的一種不同的gRNA。為了讓CRISPR系統有效地發揮作用，它必須找到與它的gRNA相匹配的靶標。具有正確的gRNA的CRISPR蛋白復合物與當時恰好正在入侵的噬菌體匹配上，結合到噬菌體DNA上并進行切割，這樣細菌細胞便戰勝噬菌體的入侵。Bondy-Denomy說，“噬菌體帶來的挑戰是非常快地產生抗CRISPR蛋白（Acr）來阻止這種切割發生。”他在幾年前首次發現了抗CRISPR蛋白。在這項新的研究中，他的團隊發現單個噬菌體基因組不可能足夠快地產生這些抗CRISPR蛋白，這是因為細菌細胞中的CRISPR蛋白已作好準備。

　　Bondy-Denomy說，“我們認為正在發生的事情就是第一個噬菌體起著一個自殺性的噬菌體的作用。它會被破壞，但是一路上它會開始產生一些抗CRISPR蛋白，這些抗CRISPR蛋白中和一些CRISPR，從而幫助它的同類在隨后發起感染。”他的團隊正在提出一種新的模型，在這種模型中，第一個噬菌體有助于下一個噬菌體成功地感染細菌，即便第一個噬菌體為此付出生命的代價。至于誰會贏得CRISPR和噬菌體之間的戰斗，這是由參與的CRISPR蛋白和抗CRISPR蛋白分子的數量和速度之間的臨界點決定的。此外，該團隊發現并非所有的抗CRISPR分子都具有相同的強度，這使得維持這兩者之間的平衡更加復雜化。

　　Bondy-Denomy團隊認為，這種噬菌體合作是一種利他主義的形式，以確保噬菌體在宿主內繼續復制，這一點并沒有之前的病毒或噬菌體模型中加以報道，而且之前的模型通常認為病毒或噬菌體不過是蛋白外殼包圍著的惰性核酸。他們希望這一發現將會刺激那些在病毒領域開展研究工作的人，特別是那些致力于研究人類病毒的人。

　　埃克塞特大學

　　埃克塞特大學的研究人員也發現感染銅綠假單胞菌的噬菌體顆粒彼此間能夠合作來克服抗病毒的CRISPR防御。

　　在埃克塞特大學的Edze Westra和Stineke Van Houte的領導下，這些研究人員（以下稱埃克塞特大學團隊）確定一些含有CRISPR的細菌對編碼著抗CRISPR蛋白的噬菌體具有部分免疫力。他們證實這些噬菌體合作克服CRISPR防御的過程：第一個噬菌體阻斷宿主CRISPR免疫系統，從而產生CRISPR免疫防御受到抑制的細菌宿主，接著隨后的噬菌體就能夠成功地在這個細菌宿主中復制。

　　鑒于單個噬菌體本身不能完全壓制CRISPR，這需要噬菌體開展“團隊合作”來克服它并在細菌群體中建立感染。隨著CRISPR免疫防御受到抑制的細菌宿主在細菌群體中的數量在增加，越來越多的噬菌體感染取得成功，這就導致感染擴散。因此，為了讓噬菌體感染在整個細菌群體中擴散，環境中最初需要一定數量的噬菌體。導致這種噬菌體感染擴散所需的初始噬菌體數量標志著一個臨界點，它決定著噬菌體是否持續復制或或者說這種感染是否會消失。

　　埃克塞特大學團隊認為這一突破性的發現可能有助于改善噬菌體療法，這種療法長期以來一直被研究和測試用于治療病原性細菌感染。Van Houte說，“噬菌體共同作用來抑制細菌免疫系統的這一發現對我們來說是非常令人吃驚的，這能夠有助于改進利用噬菌體治療人類細菌感染的策略，這是因為用于治療的噬菌體劑量將決定著噬菌體是否能夠成功地清除細菌感染。”

　　Westra 說，“更一般地說，這表明病毒對宿主的持久性免疫抑制作用能夠對病毒感染的流行病學產生深遠的影響。”