噬菌体共同作用抑制CRISPR细菌免疫

CRISPR，或具有短规则间隔的回文重复序列，是细菌对外来DNA免疫的重要组成部分。在细菌中，CRISPR就像人体细胞中的一把剪刀。在他们的情况下，它的目的是切断被感染的DNA链。尽管研究人员已经知道大约一半的野生细菌中发现了CRISPR，但他们对CRISPR与入侵病毒或噬菌体之间的分子斗争知之甚少。

在7月19日同时发表在《细胞》杂志上的两篇论文中，独立小组的研究人员提供了噬菌体在攻击含有CRISPR的细菌时进行合作的证据。他们发现，为了克服CRISPR的破坏，噬菌体通过连接力适应快速感染细菌，有时一个噬菌体会牺牲自己作为引物噬菌体。来自加州大学旧金山分校(UCSF)和英国埃克塞特大学的两个研究团队致力于利用CRISPR和抗CRISPR蛋白研究细菌和噬菌体之间的免疫关系。

加州大学

旧金山加州大学的研究人员意外发现，噬菌体合作赢得了与CRISPR的时间和数量之争。为了成为一种有效的免疫策略，含有CRISPR的细菌必须对噬菌体攻击做出快速反应，并在噬菌体杀死细胞之前做出反应。旧金山加州大学的约瑟夫邦迪-德诺米(@乔邦迪经济)说：“这是一个非常快的时钟和数字游戏。“CRISPR蛋白必须非常迅速地找到病毒DNA。如果不发生，病毒就会继续，杀死细胞。”

研究小组研究了铜绿假单胞菌，这是已知在感染前提前表达数百种CRISPR分子的细菌之一。当单个噬菌体基因组进入细胞时，它可以立即行动。在其他一些细菌中，CRISPR只有在被噬菌体感染时才会被激活。

每种CRISPR蛋白复合物含有不同的指导RNA，来自这类细菌中大约30种已知的指导RNA。为了使CRISPR系统有效，它必须找到与其指导RNA相匹配的靶标。当带有正确引导RNA的CRISPR机器与当时刚感染的噬菌体匹配，与噬菌体DNA结合并切割时，细胞获胜。“噬菌体的挑战是非常快速地产生抗CRISPR蛋白(Acr)以防止这种裂解，”Bondy-Denomy说，他在几年前首次发现了抗CRISPR抑制剂蛋白。在这项研究中，他的团队发现单个噬菌体基因组不能足够快地产生这些抗CRISPR蛋白，因为CRISPR蛋白已经在等待了。

邦迪-德诺米说：“我们认为正在发生的是，第一个噬菌体就像神风敢死队的噬菌体。“它被摧毁了，但在这一过程中，它开始产生一些抗CRISPR的化合物，这些化合物将中和一些CRISPR，从而帮助它的亲戚和随后的噬菌体感染。”他的团队正在提出一种新模式。即使第一个噬菌体死亡，第一个噬菌体也会为下一个噬菌体的成功做出贡献。CRISPR和噬菌体的较量谁赢，是由CRISPR和反CRISPR分子的数量和速度之间的临界点决定的。此外，研究小组发现，并非所有的抗CRISPR分子都具有相同的强度，这为平衡增加了另一种元素。

加州大学旧金山分校的研究人员认为，这种噬菌体合作是一种利他主义的形式，以确保在宿主中的持续复制，以前在病毒或噬菌体模型中没有报道过，病毒或噬菌体模型通常被认为是蛋白质外壳中的惰性核酸。他们希望这一发现能够刺激那些在病毒领域工作的人，尤其是那些致力于人类病毒的人。

埃克塞特大学

埃克塞特大学的微生物学家还发现，感染铜绿假单胞菌的噬菌体颗粒可以共同克服抗病毒的CRISPR防御。

由Edze Westra(@edzewestra)和Stineke Van Houte领导的团队确定，一些具有CRISPR机制的细菌对CRISPR编码的噬菌体具有部分免疫力。他们证明了这些噬菌体通过阻断宿主CRISPR免疫系统的第一个噬菌体的合作来克服CRISPR，使细菌宿主具有CRISPR免疫抑制，其中第二个噬菌体可以成功复制。

由于单个噬菌体不能完全压倒CRISPR，它需要噬菌体“团队合作”来克服它，并在细菌群体中建立感染。随着群体中CRISPR免疫抑制细菌宿主数量的增加，越来越多的噬菌体感染成功，使得感染扩散。因此，首先需要一定数量的噬菌体在噬菌体感染的环境中扩散通过整个细菌群体。发生这种情况所需的噬菌体初始数量标志着一个临界点，它决定了噬菌体是否会继续复制，或者感染是否会消失。

埃克塞特的研究人员将这一发现列为可能有助于改进噬菌体疗法的突破，噬菌体疗法长期以来一直被研究和测试用于治疗致病细菌感染。范厚特说：“噬菌体协同工作解除细菌免疫系统的发现让我们非常惊讶，它可以帮助改进使用噬菌体治疗人类细菌感染的策略，因为用于治疗的噬菌体剂量将决定噬菌体能否成功消除细菌感染。

维斯特拉说：“更一般地说，这表明病毒对宿主的长期免疫抑制可能会对感染的流行病学产生深远的影响。

旧金山加州大学的研究团队由桑德勒基金会、美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会、MJ默多克慈善信托、安进青年研究员奖和蒙大拿州立大学农业实验站资助。埃克塞特大学实验室的工作由威康信托基金、国家环境研究委员会、生物技术和生物科学研究委员会以及地平线2020计划资助。

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