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直到十年前，科學(xué)家們還沒有意識(shí)到細(xì)菌具有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，即能夠跟上感染細(xì)菌的病毒（即噬菌體）進(jìn)化速度的免疫系統(tǒng)。隨著發(fā)現(xiàn)一種如今最為知名的被稱作CRISPR的細(xì)菌免疫機(jī)制以后，情況發(fā)生了變化?？茖W(xué)家們已意識(shí)到CRISPR是一種天然的基因編輯器，而且它已在世界各地?cái)?shù)以千計(jì)的實(shí)驗(yàn)室中引發(fā)生物學(xué)研究領(lǐng)域變革。如今，研究人員理解到大多數(shù)微生物具有復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，而CRISPR僅是其中的一個(gè)組分；但是沒有一種很好的方法來鑒定這些系統(tǒng)。
在一項(xiàng)大規(guī)模的系統(tǒng)性研究中，來自以色列魏茨曼科學(xué)研究所的Rotem Sorek教授和他的研究團(tuán)隊(duì)揭示出細(xì)菌存在10種之前未知的細(xì)菌免疫防御機(jī)制。Sorek說：“我們發(fā)現(xiàn)的這些系統(tǒng)不同于之前看到的。但是，我們認(rèn)為在這些系統(tǒng)中，有一到兩種系統(tǒng)可能有潛力擴(kuò)大基因編輯工具箱，而其他的系統(tǒng)指向人體免疫系統(tǒng)的起源?！毕嚓P(guān)研究成果于2018年1月25日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome”。
圖片來自Weizmann Institute of Science。
Sorek解釋道，細(xì)菌并不能夠僅依靠CRISPR來對(duì)付噬菌體。事實(shí)上，許多噬菌體都具有抑制CRISPR活性的“抗CRISPR”蛋白，這提示著其他的系統(tǒng)收拾殘局。Sorek和他的團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建出一種掃描所有細(xì)菌基因組---迄今為止大約有5萬種基因組---的計(jì)算機(jī)程序來開始對(duì)這些系統(tǒng)的研究。他們開發(fā)的這些算法并不尋找具有事先確定的特征的序列，而是尋找參與免疫防御的基因的“統(tǒng)計(jì)學(xué)特征（statistical signature）”，比如，它們?cè)凇胺烙鶏u（defense islands）”---在那里，幾個(gè)防御相關(guān)的基因被發(fā)現(xiàn)位于彼此附近---中的位置。隨后，鑒于免疫系統(tǒng)基因很少單獨(dú)地發(fā)揮作用（即便在細(xì)菌中，也是如此），這些研究人員開發(fā)出復(fù)雜的計(jì)算機(jī)分析方法，以便理解哪些基因聯(lián)合起來并共同組成一種防御系統(tǒng)。
一旦他們將潛在的防御基因從幾百萬個(gè)減少到幾百個(gè)時(shí)，這些研究人員就需要測(cè)試他們鑒定出的候選機(jī)制。他們不是嘗試從數(shù)百種不同的細(xì)菌中分離出基因序列，而是尋求合成生物學(xué)的幫助：訂制這些基因。他們把成串的基因密碼---總共有40萬個(gè)堿基---送到一個(gè)商業(yè)實(shí)驗(yàn)室，從而合成數(shù)十種不同的多基因系統(tǒng)用于測(cè)試。他們將這些合成系統(tǒng)插入到天然免疫系統(tǒng)已被滅活的實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌中。接著，他們讓這些細(xì)菌接觸噬菌體和其他的感染因子，以便觀察這些移植的防御系統(tǒng)是否是有活性的。在他們研究的各種系統(tǒng)中，10種防御系統(tǒng)強(qiáng)力地保護(hù)了這些實(shí)驗(yàn)室細(xì)菌免受感染，因而將它們鑒定出為新的免疫防御系統(tǒng)。
Sorek說，在計(jì)算機(jī)分析和開展實(shí)驗(yàn)的各個(gè)階段之間，這項(xiàng)研究要求在他的實(shí)驗(yàn)室里工作兩年的六名人員付出大量的努力。這項(xiàng)研究是由Shany Doron博士和Sarah Melamed博士領(lǐng)導(dǎo)的，而且Gal Ofir、Azita Leavitt博士、Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切參與其中。這個(gè)團(tuán)隊(duì)每隔一周就開一次“防御委員會(huì)（defense council）”來討論不同的研究分支和他們已發(fā)現(xiàn)的防御機(jī)制。
根據(jù)Sorek的說法，這些研究人員仍然并不知道這些新型細(xì)菌免疫系統(tǒng)是如何發(fā)揮功能的，而且其中的一些系統(tǒng)“似乎具有令人吃驚的我們?nèi)缃裾陂_始研究的功能。”其中的一種系統(tǒng)含有Toll-白細(xì)胞介素受體（Toll-Interleukin Receptor, TIR）結(jié)構(gòu)域。已知TIR結(jié)構(gòu)域參與動(dòng)植物（包括人類）的免疫系統(tǒng)，是人類免疫系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，甚至是植物的一部分，但是在此之前，人們并不知道它們?cè)诩?xì)菌中是否參與抗病毒防御。Sorek說，“我們的發(fā)現(xiàn)證實(shí)我們自身免疫系統(tǒng)的一些重要部分在細(xì)菌免疫機(jī)制方面具有很深的進(jìn)化根源。”
其他的基因似乎是從非防御性細(xì)菌系統(tǒng)中“借來的”。比如，已知其中的一個(gè)基因來自于細(xì)菌中的用于游動(dòng)的鞭毛。這些基因通過讓鞭毛攝入質(zhì)子而給它們提供能量；在Sorek實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的這些新型防御系統(tǒng)之一使用這些基因來對(duì)抗噬菌體。另一個(gè)被稱作condensin（編碼凝縮蛋白）的基因通常在細(xì)胞分裂過程中保護(hù)DNA，而且這些研究人員發(fā)現(xiàn)了一種使用凝縮蛋白機(jī)制中的組分的防御系統(tǒng)來保護(hù)細(xì)菌免受質(zhì)粒---能夠寄生在細(xì)菌細(xì)胞中的微型環(huán)狀DNA---的入侵。
Sorek說，“我們成功地找到10種新型細(xì)菌防御系統(tǒng)的事實(shí)意味著存在更多的細(xì)菌防御系統(tǒng)。 我的實(shí)驗(yàn)室正在繼續(xù)尋找新的防御系統(tǒng)，另外，我們正在開始關(guān)注幾種更有前景的防御系統(tǒng)以便理解它們?nèi)绾伟l(fā)揮功能。”
Sorek說，這些新的發(fā)現(xiàn)是令人興奮的，這是因?yàn)樗鼈兲峁┝岁P(guān)于免疫系統(tǒng)進(jìn)化和病毒與它們感染的有機(jī)體之間的永恒戰(zhàn)斗的新窗口。但他也認(rèn)為，一些人可能尋求強(qiáng)有力的工具用于生物研究：“根據(jù)定義，每種免疫系統(tǒng)需要以一種非常具體但靈活的方式靶向入侵的因子，而且我們能夠?qū)⑦@種靶向能力用于生物技術(shù)目的，正如我們利用CRISPR和在它之前的限制酶所做的那樣。我們發(fā)現(xiàn)的這些新型系統(tǒng)中的任何一種都有可能是下一種基因編輯工具，或者甚至是開發(fā)更令人興奮的分子工具的基礎(chǔ)。”
參考資料：Shany Doron, Sarah Melamed, Gal Ofir et al. Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome. Science, Published online: 25 Jan 2018, doi:10.1126/science.aar4120