Nature:CRISPR／Cas系統,如何區分敵友

　　不忙于攻擊我們時，細菌之間會彼此競爭。但當病毒入侵細菌時，它們不總是給受感染的微生物帶來災難：有時候病毒實際上攜帶著細菌可以利用的有益基因，可以擴大其飲食或是讓它們能夠更好地攻擊自身的宿主。

　　科學家們一直認為，細菌的免疫系統會自動地破壞它識別為入侵病毒基因的東西。現在，來自洛克菲勒大學的研究人員在新實驗中證實，一種稱作為CRISPR-Cas系統的細菌免疫系統可以將病毒朋友和敵人區分開來。研究人員稱CRISPR-Cas系統是通過留意一種特殊的線索做到這一點的。研究論文發表在8月31日的《自然》（Nature）雜志上。

　　細菌學實驗室主任Luciano Marraffini說：“轉錄是基因（包括病毒基因）讀取過程中的一個初始步驟，其產生了差別。病毒的全基因組是在它們的溶菌（破壞性）階段被轉錄，而病毒的少數基因是在溶原（休眠）階段被轉錄。”

　　病毒在它們的溶菌階段利用細胞的機器來復制自身，然后破壞細胞釋放出新病毒。與此同時，病毒在它們的溶原階段悄悄地整合到宿主遺傳物質之中。這就是它們向細菌提供潛在利益之處，細菌可以挑選出一些病毒基因來實現自身的目的。實際上，一些致病微生物，例如白喉致病菌就必須帶上適合的病毒來攻擊人類。

　　科學家們直到最近才發現這一適應性細菌免疫系統。它的功能依賴于CRISPRs。CRISPR 指的是成簇的規律間隔的短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)，長度約25～50bp的重復序列（repeats）被間隔序列(spacer)所間隔。這些間隔序列與病毒遺傳密碼中的序列相匹配，CRISPR相關基因(CRISPR-associated genes，Cas)編碼的酶將CRISPR DNA轉錄的RNA中的間隔序列切除出來。隨后其他Cas酶利用這些間隔序列作為引導靶向破壞入侵者。

　　這一系統可通過獲取新的間隔序列來使自身適應新入侵者靶向它們。由于能夠對DNA進行精確靶向切割，可利用來對所有細胞類型進行遺傳工程改造，最近CRISPR-Cas系統受到科學界的高度關注。

　　該研究的主要作者、研究生Gregory Goldberg說：“我們對于CRISPR-Cas系統的了解仍然處于初期階段。然而到目前為止，人們普遍認為它們沒有采用一種精細的方法來識別它們的靶標。換句話說，一旦它們靶向某物，某物就會被切斷。我們的工作第一次證實，存在于葡萄球菌中的CRISPR-Cas系統，可以檢測出病毒是否存于破壞階段及構成直接的威脅。”

　　以往的大部分工作都是將焦點放在裂解病毒上。然而，葡萄球菌中存在有許多能夠進入溶原階段的病毒。研究人員還發現了一種顯著不對稱：葡萄球菌CRISPR系統能夠有效地靶向兩條互補DNA鏈上的一段序列和它的對應序列。他們懷疑產生這種矛盾的原因是大多數的病毒基因朝著單一方向進行轉錄，這意味著兩條靶DNA鏈有一條不轉錄。

　　“當我們分離出一種設法逃避破壞的變異病毒時，一條重要的線索顯現出來。有時候病毒能夠通過靶序列突變來阻止CRISPR-Cas系統識別它們從而做到這一點。但當我們測序這一階段的基因組時，我們在一個促進轉錄的區域中發現了突變，”Goldberg說。

　　在一系列的試驗中，他和同事們檢測了他們的假設：稱作為Type III-A的葡萄球菌CRISPR-Cas系統可以容忍溶原病毒感染，只要靶序列不被轉錄。他們設計了一段靶序列，其只在存在一種特異化學物質時才發生轉錄。因此Type III-A CRISPR-Cas系統只在存在這種化學物質時破壞靶標。

　　Marraffini 說：“發現這種轉錄要求有可能讓許多從事這些系統研究工作的人感到驚訝。盡管我們還不知道這背后的機制，我們可以說Type -III-A系統完全不同于其他的CRISPR-Cas系統，CRISPR-Cas系統有著多種神秘的類型。我們的研究發現表明了一種可能性：每種 CRISPR類型和亞型都是以不同的方式來識別和破壞它的靶標，各自調整滿足特定細菌的需要。如果確實存在這些不同的靶向機制，它們對于生物技術可能具有重要的意義。”