Mol Cell：CRISPR-Cas系统和限制性内切酶携手对抗噬菌体感染

像大多数生物一样，细菌会被称为噬菌体的细菌病毒所捕食--它们消灭入侵者的常用方法是简单地将它们切碎。一旦看到噬菌体，细菌可能会采用一系列免疫策略，使用分子切割器（如CRISPR-Cas，也是一种流行的实验室工具的名字）来切割它的基因组。

如今，在一项新的研究中，来自洛克菲勒大学的研究人员发现细菌的多种防御策略并不是独立发挥作用：CRISPR-Cas系统和细菌的另一种突出的防御策略（称为限制性内切酶）之间发生了令人惊讶的合作水平。相关研究结果发表在Molecular Cell期刊上，论文标题为“Cleavage of viral DNA by restriction endonucleases stimulates the type II CRISPR-Cas immune response”。

论文通讯作者、洛克菲勒大学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员Luciano Marraffini说，“许多科学家在研究中使用了这些系统中的一种或两种，但我们不知道它们在细菌中的联系程度。”

这项研究结果表明，虽然限制性内切酶作为第一道防线，但它们也为CRISPR-Cas准备了精确靶向入侵的噬菌体病毒所需的材料。

Marraffini说，“这一机制让人想起我们自己的多管齐下的免疫反应。它包括一个临时的第一道防线，然后再激活第二个更强大的适应性反应。”

多步骤保护

限制性内切酶能够切割较短的DNA序列，因此细菌在噬菌体入侵细菌细胞时就利用了它们。作为一种更复杂的系统，CRISPR-Cas随后介入。当限制性内切酶像割草机一样粗暴地切割噬菌体DNA时，CRISPR-Cas就像辛勤的园丁使用的剪刀一样锋利。它通过将噬菌体入侵者整齐地与针对特定基因序列的向导RNA（gRNA）对齐，以完美的精确度切割入侵者。

图片来自Molecular Cell, 2022, doi:10.1016/j.molcel.2022.01.012。

这两种类型的细菌防御系统通常被生物学家使用，他们的日常工作涉及为各种目的操纵DNA--如基因测序、使分子发出荧光或构建对基因组进行改造的的动物。在20世纪70年代，科学家们利用限制性内切酶开发出一种叫做重组DNA的新工具，这使得克隆和研究单个基因成为可能。在十年前，基于CRISPR-Cas的技术给科学家们提供了在活细胞和有机体内编辑基因组的手段，从而彻底改变了生物科学。

Marraffini实验室研究生Pascal Maguin在研究金黄色葡萄球菌时发现，这种细菌的两种噬菌体切割策略在一起工作比单独工作更好。当金黄色葡萄球菌只受到限制性内切酶的保护时，它们的防御是短暂的，因为一些噬菌体最终会开始保护它们的DNA，而且经过一段时间后，培养皿中生长的金黄色葡萄球菌会开始减少。然而，如果金黄色葡萄球菌有机会使用这两种防御系统，它们就会迅速恢复。

Maguin和他的同事们发现这两种系统是如何协同工作的--之前被限制性内切酶切割的片段帮助CRISPR-Cas系统产生找到噬菌体并终止感染所需的gRNA。

Marraffini说，“这有点像疫苗接种。限制性酶切割噬菌体的小片段DNA，然后CRISPR-Cas系统将利用这些小片段来启动适应性反应。”

这些发现可能不仅帮助我们了解金黄色葡萄球菌如何抵御噬菌体；它们也有可能使我们更好地抵御金黄色葡萄球菌--一种因能够对抗生素产生抗性而臭名昭著的细菌物种。去年，Marraffini团队已发现，该细菌不仅利用其CRISPR-Cas系统来抵御噬菌体，而且还产生多药耐药性。对该系统的更好理解有朝一日可以让科学家们用药物来操纵它，以对抗对其他治疗没有反应的金黄色葡萄球菌感染。

参考资料：

Pascal Maguin et al. Cleavage of viral DNA by restriction endonucleases stimulates the type II CRISPR-Cas immune response. Molecular Cell, 2022, doi:10.1016/j.molcel.2022.01.012.