2017年4月Science期刊和Cell期刊上不容錯過的與病毒相關的亮點研究

今天是四月的最後一天了，大家在享受「五一」小長假之時，小編在此提前祝大家：勞動節快樂！有詩云：人間四月芳菲盡。科學界的四月可是繁花似錦。現在小編整理了四月Science期刊和Cell期刊上與病毒相關的亮點研究，走，一起去看看吧。

Science

1.Science：基於CRISPR/Cas13a的診斷平台可檢測任何RNA分子，靈敏度增加一百萬倍

doi:10.1126/science.aam9321

在一項新的研究中，來自美國哈佛大學-麻省理工學院布羅德研究所（以下簡稱布羅德研究所）、麻省理工學院麥戈文腦研究所、麻省理工學院醫學工程與科學研究所、哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的研究人員將一種靶向RNA（而不是DNA）的CRISPR相關酶（即Cas13a）改造為一種快速的、廉價的和高度靈敏的診斷工具，從而有潛力引發研究和全球公共衛生變革。相關研究結果於2017年4月13日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2」。

在這項研究中，布羅德研究所成員Feng Zhang、Jim Collins、Deb Hung、Aviv Regev和Pardis Sabeti描述了這種靶向RNA的CRISPR相關酶如何被用作一種高度靈敏的檢測器---能夠指示最少至一個靶RNA或DNA分子的存在。論文第一作者Omar Abudayyeh和Jonathan Gootenberg將這種新的工具稱為「SHERLOCK（Specific High-sensitivity Enzymatic Reporter unLOCKing）」；這種技術可能有朝一日被用來應對病毒性和細菌性流行病爆發、監控抗生素耐藥性和檢測癌症。

在2016年6月，Zhang和他的同事們首次描述了這種靶向RNA的CRISPR相關酶（之前被稱作C2c2，如今被稱作Cas13a），而且能夠經編程後切割細菌細胞中的特定RNA序列（Science, Published online:02 Jun 2016, doi:10.1126/science.aaf5573）。不同於靶向DNA的CRISPR相關酶（如Cas9和Cpf1），Cas13a能夠在切割它的靶RNA之後保持活性，而且可能表現出不加區別的切割活性，而且在一系列被稱作「附帶切割（collateral cleavage）」的作用當中，繼續切割其他的非靶RNA。在其發表的論文和申請的專利中，該團隊描述了這個CRISPR系統的廣泛生物技術應用，包括將它的RNA切割和附帶切割活性用於基礎研究、診斷和治療。

在這項新的研究中，這種SHERLOCK方法的靈敏度增加了一百萬倍。這種增加是由於Zhang團隊和布羅德研究所成員Jim Collins合作開展研究取得的結果。Collins之前一直在研究寨卡病毒的診斷方法（Cell, 19 May 2016, doi:10.1016/j.cell.2016.04.059）。在2014年，Collins和他在懷斯生物啟發工程研究所的團隊開發出一種快速的基於合成紙的埃博拉病毒測試方法，該方法所使用的試劑能夠在室溫下運輸和儲存。他們隨後對這種測試系統進行修改來檢測寨卡病毒，並且證實他們能夠通過加入低水平熱量來提高RNA在樣品中的濃度來提高這種系統的檢測靈敏度。 通過一起合作，Zhang團隊和Collins團隊能夠採用一種不同的依賴體溫的擴增過程來提高他們的測試樣品中的DNA或RNA水平。一旦這種水平增加，他們利用第二個擴增步驟將DNA轉化為RNA，從而使得他們將這種靶向RNA 的CRISPR工具的靈敏度增加了一百萬倍，而且這種工具能夠在幾乎任何環境下使用。

另外，這種CRISPR工具還包括一種RNA報告分子。當該報告分子被切割時，它會發出熒光。當Cas13a檢測到靶RNA序列時，它的無區分的RNA酶活性（即附帶切割活性）也會切割這種RNA報告分子，從而釋放可檢測到的熒光信號。

2.Science：發現一類新的巨病毒攜帶著有史以來最多的蛋白翻譯相關基因

doi:10.1126/science.aal4657; doi:10.1126/science.356.6333.15

病毒在地球上廣泛地存在。據估計，它們的數量是1031，是該星球上細菌數量的10倍，而且這一數字比銀河系中的恆星數量還要多。巨病毒（giant virus）的 特徵具有異乎尋常大的基因組和病毒顆粒（包圍著病毒的遺傳物質）。它們能夠編碼幾種潛在地參與蛋白生物合成的基因，這一獨特的特徵已讓人們針對它們的起源提出不同的假說。不過， 在發現一組新的具有比之前已知的任何其他病毒更加完整的翻譯複合體基因的巨病毒之後，來自美國能源部聯合基因組研究所（JGI）、國家衛生研究院（NIH）、加州理工學院（CalTech）和 奧地利維也納大學的研究人員認為這組巨病毒（被稱作Klosneuvirus）顯著地增加了我們對病毒進化的理解。相關研究結果發表在2017年4月7日的Science期刊上，論文標題為「Giant viruses with an expanded complement of translation system components」。

據預測，Klosneuvirus的宿主是原生生物（單細胞真核微生物），儘管迄今為止它們對原生生物的直接影響仍不清楚，但是它們被認為對這些有助調節地球上的生物地質化學循環的原生生物 發揮著重大的影響。

科學家們針對巨病毒起源提出兩種進化假設。一種假設指出巨病毒由一種古老的細胞（ 可能是來自滅絕的生物第四域的一種細胞，現有的生物分類是三域系統：古生菌、細菌和真核生物）進化而來。另一種假設指出巨病毒起源自較小的病毒。

乍看之下，巨病毒Klosneuvirus中的這套「細胞」基因似乎具有一種相同的起源，但是當詳細地分析這些基因時，這些研究人員觀察到它們來自不同的宿主。從他們構建出的進化樹來看，他們注意到這些基因是這組巨病毒在它們的不同進化階段逐漸獲得的。這些來自Klosneuvirus的基因含有19種必需氨基酸（必需氨基酸總共有20種）特異性的氨醯-tRNA酶，20多種tRNA、一系列翻譯因子和tRNA修飾酶。這對所有病毒（包括之前已知的巨病毒）而言，這是一項史無前例的發現。

他們發現這組Klosneuvirus巨病毒來自一種新的病毒家族。巨病毒Mimivirus也屬於這個病毒家族。

Cell

1.Cell：重磅！揭示抗CRISPR蛋白阻斷CRISPR系統機制

doi:10.1016/j.cell.2017.03.012

想像一下細菌和病毒一直處于軍備競賽之中。對很多細菌而言，一種抵抗病毒感染的防禦線是一種複雜的RNA引導的「免疫系統」，即CRISPR-Cas。這個免疫系統的核心是一種識別病毒DNA和觸發它破壞的監視複合物。然而，病毒能夠反擊，利用抗CRISPR蛋白讓這種監視複合物不能夠發揮功能。但是，在此之前，沒有人準確地知道這些抗CRISPR蛋白如何發揮作用。

如今，來自美國國家過敏症與傳染病研究所、斯克里普斯研究所、蒙大拿州立大學、加州大學舊金山分校和加拿大多倫多大學的研究人員首次解析出病毒抗CRISPR蛋白附著到一種細菌CRISPR監視複合物上時的結構。他們發現抗CRISPR蛋白的作用機制是封鎖CRISPR識別和攻擊病毒基因組的能力。一種抗CRISPR蛋白甚至「模擬」DNA，讓這種crRNA（CRISPR經轉錄產生的RNA）引導的檢測機器脫軌。相關研究結果發表在2017年3月23日的Cell期刊上，論文標題為「Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex」。論文通信作者為來自斯克里普斯研究所的Gabriel C. Lander和來自蒙大拿州立大學的Blake Wiedenheft。

利用一種被稱作冷凍電鏡的高解析度成像技術，這些研究人員發現了CRISPR系統和抗CRISPR蛋白的三個重要的方面。

首先，他們準確地觀察這種CRISPR監視複合物如何識別病毒遺傳物質以便發現它應當在何處發起攻擊。這種監視複合物中的蛋白像握手那樣纏繞在細菌crRNA的周圍，讓這種crRNA的特定片段暴露出來。這種特定片段掃描病毒DNA，尋找它們能夠識別的基因序列。再者，這些研究人員分析了病毒抗CRISPR蛋白如何癱瘓這種監視複合物。他們發現一種抗CRISPR蛋白覆蓋住crRNA的這個暴露片段，從而阻止這種CRISPR系統掃描病毒DNA。

另一種抗CRISPR蛋白採用一種不同的策略。基於這種抗CRISPR蛋白的結合位置和負電荷，這些研究人員認為它起著模擬DNA的作用，誘導CRISPR結合這種抗CRISPR蛋白，而不是入侵的病毒DNA。

這些研究人員認為這種對抗CRISPR蛋白的新認識可能最終導致人們開發出更加複雜的和更加高效的基因編輯工具。抗CRISPR蛋白可能能夠被用於CRISPR系統之中來迅速阻斷基因編輯，或者科學家們可能能夠降解抗CRISPR蛋白來觸發基因編輯。

2.Cell：40年謎題被解開 科學家成功解析巨細胞病毒和宿主之間的進化軍備競賽

doi:10.1016/j.cell.2017.03.002

最近，一項刊登在國際雜誌Cell上的研究報告中，來自莫納什大學的研究人員通過研究解開了一個長達40年的奧秘，文章中研究人員闡明了巨細胞病毒（CMV）和機體免疫系統之間長期存在的一種進化軍備競賽。

人類的巨細胞病毒俗稱人皰疹病毒5型，其能夠感染全世界大約50%的成年人，而且也是引發發達國家新生兒出生缺陷的主要原因。這項研究中，研究者通過深入研究揭示了為何特殊病毒能夠成功休眠以及不被機體免疫系統所識別。

文章中，研究者揭示了巨細胞病毒如何進化來向機體NK細胞拋誘餌，從而讓機體免疫系統誤認為被感染的細胞也是健康的。Jamie Rossjohn教授表示，NK細胞的表現就好像我們機體中抵禦病毒感染的最前線防禦系統一樣。NK細胞能夠在機體中「遊走」來檢測細胞是否被感染，利用這種方式它們就能夠知道何時殺滅感染細胞；健康細胞在其表面有著自身的標記，這些標記能夠起到路標的作用來告訴NK細胞不要對其實施攻擊行為，然而在機體感染期間這些自身標記的缺失也是免疫系統檢測病毒的一種方式。

研究者Berry說道，這就是巨細胞病毒攔截的一種過程，其能夠拋出誘餌標記物來誘騙機體免疫系統誤認為已經被感染的細胞是健康的。然而機體免疫系統也會不斷進化並且重塑，而這對於物種的持續生存是非常有必要的。本文研究解開了長達40年研究人員極其關注免疫系統中非常著名的蛋白功能的一個謎題，研究者發現，名為NK1.1的分子或許能夠作為一種新型武器，其能夠不斷進化來直接識別巨細胞病毒的誘餌標記，從而使得免疫系統有效對其進行檢測並且殺滅病毒。

本文整理自生物谷；

本期編輯：蒲公英

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