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Nature:给细菌“接种疫苗”

近日有研究发现,细菌具备一个关键的特征:当被无法复制的缺陷性细菌病毒感染后,能够促使细菌迅速产生适应性免疫反应,以对抗相应的功能性病毒。

在感染了病毒后仍能幸存下来——这是大多数生物所必须具备的一种生存能力。适应性免疫(adaptive immunity)是指免疫细胞捕获侵入的外源性物质,进而对相关的病毒进行识别和清除。这种免疫力在生物战胜病毒感染的过程中发挥了至关重要的作用。正是因为如此,适应性免疫推动了生物的进化、选择和适应进程。哺乳动物的适应性免疫是以抗体-抗原的结合为基础的。尽管哺乳动物中这种抗体-抗原的配对结合已经得到了广泛的研究,但是古生菌和细菌中相对应的配对形式(即CRISPR-Cas免疫系统)仍然是一个未解之谜。Hynes等人在《自然通讯》(Nature Communications)上发表论文,详细描述了缺陷性病毒颗粒如何利用CRISPR-Cas系统来触发免疫反应,使细菌产生适应性免疫力,来抵抗相应的功能性病毒。

CRISPR-Cas系统包括两大组成部分:由规律成簇的间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeat, CRISPR)组成的DNA序列,以及一种名为CRISPR关联序列(CRISPR-associated sequence, Cas)的核酸内切酶。通常而言,当侵入的遗传物质,例如利用一类名为噬菌体(bacteriophage,缩写为phage)的细菌病毒将DNA注入到细胞内,被当成CRISPR序列之间的“间隔器”而整合到基因组中时,就会产生免疫反应。随后,包含这些间隔器的CRISPR阵列进行转录,导致小分子干扰CRISPR RNA的产生,而这种RNA能够引导Cas酶靶向于那些与间隔器互补配对的DNA序列,并将其裂解掉。这种适应性免疫系统已经被证实能够有效地抵抗噬菌体对乳品发酵剂的侵噬,而乳品发酵剂被广泛地用于酸奶和奶酪的生产。

病毒DNA被整合到宿主基因组后能够启动以CRISPR为基础的免疫反应——尽管这一点已经得到了证实,但是很少有人知道细菌是如何对噬菌体的基因组进行探查,以便获得间隔器的;以CRISPR为基础的免疫反应被认为是细菌对抗噬菌体的一种“疫苗接种”,但是也很少有人知道这一免疫反应的动态过程。噬菌体通常在数分钟之内就能够掌控其宿主的免疫分子机制,而细菌快速产生适应性免疫应答反应的能力也仍然像谜一般神秘。

Hynes等人首先让细菌接触缺陷性噬菌体。这些缺陷性噬菌体有两种产生途径:一种途径是将噬菌体暴露于紫外线(ultraviolet, UV)辐射中,另一种途径是使用对限制修饰(restriction–modification, RM)系统敏感的烈性噬菌体。当噬菌体DNA被注入到宿主细菌中后,RM系统就能够利用限制性内切酶来裂解噬菌体DNA。不论缺陷性噬菌体来源于哪种途径,它们都能够将DNA注入到宿主细菌内,但是却都无法进行DNA复制。RM敏感性噬菌体介导的DNA注入法可以使被感染的细胞内出现一系列噬菌体DNA片段。经过UV辐射弱化后的噬菌体可以向细菌内注入无法复制的DNA,而这些DNA可能会被CRISPR阵列探查并捕获到。

Hynes等人搜寻幸存下来的宿主细菌,他们发现幸存细菌的CRISPR序列内增添了新的间隔器,这就表明噬菌体DNA已经掌控了CRISPR适应机制(图1)。尽管大多数被感染的细菌都死亡了,但是仍然有一小部分细菌能够捕获CRISPR序列中的噬菌体基因组片段。特别值得一提的是,与功能性噬菌体相比,UV灭活性病毒和RM敏感性病毒的存在能够增加被免疫接种的细菌的产量,增加量分别为3-4倍和10倍。这就意味着复制缺陷型病毒能够推动细菌的免疫反应。

Nature:给细菌“接种疫苗”

图1. 减毒病毒引起的免疫反应。Hynes等人让细菌接触一些无法自我复制的噬菌体病毒。这些噬菌体之所以无法复制,是因为其DNA在接触紫外线(ultraviolet, UV)后发生了突变,或者已经被细菌的限制修饰(restriction-modification, RM)酶系统裂解成了DNA片段。CRISPR阵列由于之前的免疫反应而整合了间隔器序列(黄色)。Hynes等人报道指出,复制缺陷型噬菌体的病毒DNA片段(红色)能够被整合到这些含有间隔器序列的CRISPR阵列中去,因此新整合进来的间隔器能够通过CRISPR-Cas免疫系统,给细菌带来序列特异性的适应性免疫能力,以对抗相应的功能性病毒。

Hynes等人接下来采用“双重病毒挑战”研究计划,使宿主细菌同时感染上了缺陷性噬菌体和功能性噬菌体,最终表明无法复制的病毒可被用来触发免疫接种反应,以对抗另一种不同的、但属于类似家族的功能性噬菌体。这一实验表明,大多数防止细菌遭受功能性噬菌体侵害的免疫接种反应都是由缺陷性噬菌体所引起的。Hynes等人报道指出,在“双重病毒挑战”研究计划中复制缺陷型噬菌体所占的比例与免疫接种反应的发生数量之间存在着一种直接的关联,而如果在挑战计划中仅使用功能性噬菌体的话,则不存在这种关联。这些研究结果让人联想起人类利用减毒病毒和减毒细菌进行疫苗接种,以对抗病原体的侵害。

这项研究提供了重要的证据,证明缺陷性病毒能够通过CRISPR-Cas系统来触发免疫反应。尽管人类早已经利用减毒病毒进行免疫接种了,但是Hynes等人的研究发现——即失活病毒能够触发细菌出现CRISPR依赖性的适应性免疫反应——却具有实际应用价值。迄今为止,由于能够用来捕获间隔器的CRISPR模型系统(而不是仅仅靶向于核酸,并将其裂解掉)数量有限,因此CRISPR-Cas系统的分析(尤其是适应性间隔器的获取)一直以来受到了制约。我们预计,减毒病毒的使用将会使研究者们扩大CRISPR免疫法的效用,也会促使他们加大细菌CRISPR-Cas系统的使用,而CRISPR-Cas系统曾经被认为在细菌中是没有活性的。将来的研究也应当去证实染色体DNA和质粒DNA(即存在于细菌和古生菌中的、非染色体的环状小DNA分子)的探查过程是否与病毒DNA一样,遵循着相同的分子规则。

随着活性CRISPR-Cas系统数量的增加,越来越多的、基于Cas酶的分子机制将会被应用到生物技术领域中去,例如对细菌进行改造,使其具备对抗噬菌体或质粒的能力,或者在各种生物体(从细菌到动物)内运用CRISPR-Cas技术来编辑基因组、调节转录过程。微生物群落与其自然栖息地中的侵噬病毒之间存在着激烈的竞争,而Hynes等人的研究发现将有助于我们开始了解CRISPR在这些竞争中所发挥的作用,也将会为CRISPR-Cas系统的进一步应用创造良好的条件。

原文检索:

Rodolphe Barrangou & Todd R. Klaenhammer. Microbiology: Bacteria get vaccinated. Nature, 10 September 2014; doi:10.1038/513175a

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