Nature揭秘CRISPR系統的選擇識別機制

　　細菌具有一種免疫系統來對抗稱作為噬菌體的入侵病毒，也許會讓你感到有些驚訝。并且像從單細胞到人類的所有免疫系統一樣，細菌免疫系統面臨的第一個挑戰就是要檢測出 “外源物質”與“自身物質”的差異。這并不簡單，因為病毒、細菌和所有其他的生物都是由DNA和蛋白質構成。來自Weizmann研究所和以色列特拉維夫大學的一個研究小組，現在揭示出了細菌究竟是如何做到這一點的。他們的研究結果發表在4月13日的《自然》（Nature）雜志上。

　　Weizmann研究所分子遺傳學系Rotem Sorek教授說：“在大多數環境中，噬菌體的豐度比細菌要高約10倍。并且像所有的病毒一樣，細菌利用了宿主細胞的復制機器來生成自身拷貝。它們不斷進化出一些新途徑來做到這一點。因此細菌需要非常活躍的免疫系統維持存活。”

　　而直到近年，科學家們甚至都還不確定細菌具有一種適應性免疫系統——“記住”過去的遭遇來產生針對性的反應。當幾年前一種叫做CRISPR的細菌適應性系統被發現，這種情況才發生改變。CRISPR免疫機制不僅對于細菌至關重要，對我們的日常生活也造成了重大的影響：例如，當前它被用來保護制造酸奶和奶酪的“好”細菌。它或許還會影響我們的未來：科學家們已經想到了如何利用這一精巧的CRISPR系統來“編輯”人類基因組——使得它成為了一種適用于廣泛臨床應用的簡便工具。

　　為了記住感染，CRISPR系統從入侵病毒DNA處抓取了一段短序列，將它直接插入到細菌基因組中。一些噬菌體DNA片段被儲存在基因組的特定區域中；這些形成了免疫記憶。在隨后的感染中，CRISPR利用這些序列構建出了與噬菌體遺傳序列相匹配的短RNA鏈。連接這一RNA的蛋白質復合物隨后鑒別出噬菌體DNA然后破壞它。

　　選擇性很顯然是這一系統的一個問題。在以往的研究中Sorek實驗室證實，錯誤抓取自身DNA片段可導致細菌細胞罹患一種自身免疫疾病，攻擊它自身的DNA，這對于細菌可能是致命的。Sorek說，在細胞內自身DNA比外源DNA要高約100倍，似乎為比研究人員實際觀察到的要更多的錯誤提供了空間。

　　那么CRISPR系統是如何知道將外源DNA而非自身DNA片段插入到免疫記憶中去呢？Sorek和他的研究生Asaf Levy，與特拉維夫大學的Udi Qimron和Moran Goren教授合作詳細解答了這一問題，揭示出了CRISPR這一部分過程背后一個復雜的、多步驟機制。

　　他們利用質粒——模擬病毒的短、圓形DNA片段，設計了一種實驗裝置并將其注入到細菌細胞中。這些細菌具有兩種稱作為Cas1和Cas2的蛋白——是CRISPR系統的組成部分，負責獲取外源DNA片段。CRISPR系統成功地將質粒DNA整合到了細菌的基因組中，而“自身”DNA很少遭到攻擊。研究小組記錄了大約3800萬個獨立的免疫事件。

　　在更仔細地檢測這些結果后，研究小組發現CRISPR系統利用Cas 1和2特異地識別了快速復制的DNA。而具有諷刺意味的是，這是噬菌體的一種生存策略，卻也是造成它毀滅的原因。

　　Sorek說：“不過這仍然不能完全解釋CRISPR系統是如何區分自我和非我的。”

　　更深入地了解整個過程讓這一問題迎刃而解。在DNA復制過程中，頻繁發生小的DNA斷裂；這些斷裂召喚了一種DNA修復酶“啃咬”斷裂DNA片段。研究小組發現這一修復機器啃咬留下的一些“剩余物”，實際上是CRISPR利用來生成細菌免疫記憶的病毒DNA的來源。但是當這些修復酶遇到一種叫做“Chi位點”的短序列時，它會停止啃咬。這樣的Chi序列非常頻率地存在于整個細菌基因組中，但卻很少存在于病毒基因組中。因此Chi位點也充當了“自我”標記物：當它們存在時會抵制CRISPR機器的活性，但如果缺失它們CRISPR機器就能夠利用噬菌體DNA片段。

　　因此細菌細胞利用它的正常DNA復制和修復過程鑒別了噬菌體DNA，檢測及復查了兩種基本的方式都與“自身”基因組不同的新DNA。通過兩個CRISPR蛋白Cas1和2的活性，細菌免疫系統可以確保它只將外源DNA添加到了免疫“記憶”中，因此可以激活它的防御。

　　Sorek說：“解開細菌免疫系統這個識別自我和非我的謎題，破譯了CRISPR過程中這一步驟的確切機制為我們提供了關于這種環繞在我們周圍，始終無處不在的、看不見的對抗的一些重要見解。在未來利用CRISPR系統的臨床應用中或許可以利用細菌這種逃避自身免疫的方法。”