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(xiàng)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(dòng)物免疫系統(tǒng).相關(guān)研究結(jié)果于2013年4月14日在線發(fā)表在Nature期刊上,論文標(biāo)題為"A CRISPR/Cas system mediates bacterial innate immune evasion and virulence".
細(xì)菌利用CRISPR進(jìn)行自我保護(hù).它的功能最初是由乳制品行業(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(xiàng)新的研究中,研究人員證實(shí)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(dòng)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(xiàng)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(dòng)地利用它躲避宿主免疫系統(tǒng)的識別,從而導(dǎo)致疾病."
科學(xué)家們最近因CRISPR系統(tǒng)能夠被潛在地用于基因工程和生物技術(shù)而對它產(chǎn)生極大的興趣,但是它在基因調(diào)節(jié)和躲避宿主免疫反應(yīng)中所起的作用相對而言還是未知的.
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(shí),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(dòng)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(xiǎn)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(dòng)物患病中發(fā)揮重要作用的基因.
有趣的是,他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)最近已被證實(shí)編碼CRISPR系統(tǒng)中一種蛋白組分的DNA序列.但是在F. novicida感染期間,這個(gè)序列在其中發(fā)揮何種作用依然是一個(gè)謎.
Weiss說,"基因突變在細(xì)菌中發(fā)揮著較強(qiáng)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?。窟@說不通."
在當(dāng)前這項(xiàng)研究中,研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)F. novicida感染哺乳動(dòng)物細(xì)胞時(shí),它們需要CRISPR系統(tǒng)中的一個(gè)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(dòng)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.
作為論文第一作者的研究生Tim Sampson與Weiss,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(gè)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(jìn)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.
Sampson和Weiss發(fā)現(xiàn)F. novicida的CRISPR系統(tǒng)中的一部分產(chǎn)生一個(gè)指導(dǎo)Cas9抑制這種脂蛋白基因的RNA.Weiss說,這種Cas9調(diào)節(jié)性系統(tǒng)允許F. novicida檢測到威脅時(shí)有效地降低這種脂蛋白的表達(dá),同時(shí)當(dāng)在宿主體外時(shí),它們將恢復(fù)這種基因的活性以便發(fā)揮它的功能.
為了證實(shí)這種研究結(jié)果并不是F. novicida所特有的,研究人員與埃默里大學(xué)醫(yī)學(xué)助理教授Yih-Ling Tzeng博士的研究團(tuán)隊(duì)合作而獲得了Cas9基因發(fā)生缺失的腦膜炎雙球菌(Neisseria meningitidis, 能夠?qū)е氯烁腥旧夏X膜炎)突變體菌株.這種突變體菌株在附著,、侵入人細(xì)胞以及在這些細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行復(fù)制的能力上存在缺陷.這就提示著Cas9和CRISPR的類似功能可能也在其他細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)到.
Sampson說,"大多數(shù)編碼Cas9的細(xì)菌要么是致病性的,要么就是在人體內(nèi)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)到.我認(rèn)為我們的發(fā)現(xiàn)將促進(jìn)其他科學(xué)家們重新研究其他細(xì)菌中Cas9和CRISPR的功能繼而研究它們與宿主的相互作用."
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(jì)劃進(jìn)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.（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature12048
PMC:
PMID:
A CRISPR/Cas system mediates bacterial innate immune evasion and virulence
Timothy R. Sampson,Sunil D. Saroj,Anna C. Llewellyn,Yih-Ling Tzeng & David S. Weiss
CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced palindromic repeats/CRISPR-associated) systems are a bacterial defence against invading foreign nucleic acids derived from bacteriophages or exogenous plasmids1, 2, 3, 4. These systems use an array of small CRISPR RNAs (crRNAs) consisting of repetitive sequences flanking unique spacers to recognize their targets, and conserved Cas proteins to mediate target degradation5, 6, 7, 8. Recent studies have suggested that these systems may have broader functions in bacterial physiology, and it is unknown if they regulate expression of endogenous genes9, 10. Here we demonstrate that the Cas protein Cas9 of Francisella novicida uses a unique, small, CRISPR/Cas-associated RNA (scaRNA) to repress an endogenous transcript encoding a bacterial lipoprotein. As bacterial lipoproteins trigger a proinflammatory innate immune response aimed at combating pathogens11, 12, CRISPR/Cas-mediated repression of bacterial lipoprotein expression is critical for F. novicida to dampen this host response and promote virulence. Because Cas9 proteins are highly enriched in pathogenic and commensal bacteria, our work indicates that CRISPR/Cas-mediated gene regulation may broadly contribute to the regulation of endogenous bacterial genes, particularly during the interaction of such bacteria with eukaryotic hosts.
