Science：發現10種新型細菌免疫防禦系統，有望開發出下一代基因編輯工具

直到十年前，科學家們還沒有意識到細菌具有複雜的免疫系統，即能夠跟上感染細菌的病毒（即噬菌體）進化速度的免疫系統。隨著發現一種如今最為知名的被稱作CRISPR的細菌免疫機制以後，情況發生了變化。科學家們已意識到CRISPR是一種天然的基因編輯器，而且它已在世界各地數以千計的實驗室中引發生物學研究領域變革。如今，研究人員理解到大多數微生物具有複雜的免疫系統，而CRISPR僅是其中的一個組分；但是沒有一種很好的方法來鑒定這些系統。

在一項大規模的系統性研究中，來自以色列魏茨曼科學研究所的Rotem Sorek教授和他的研究團隊揭示出細菌存在10種之前未知的細菌免疫防禦機制。Sorek說：「我們發現的這些系統不同於之前看到的。但是，我們認為在這些系統中，有一到兩種系統可能有潛力擴大基因編輯工具箱，而其他的系統指向人體免疫系統的起源。」相關研究成果於2018年1月25日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome」。

圖片來自Weizmann Institute of Science。

Sorek解釋道，細菌並不能夠僅依靠CRISPR來對付噬菌體。事實上，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收拾殘局。Sorek和他的團隊通過構建出一種掃描所有細菌基因組---迄今為止大約有5萬種基因組---的計算機程序來開始對這些系統的研究。他們開發的這些演算法並不尋找具有事先確定的特徵的序列，而是尋找參與免疫防禦的基因的「統計學特徵（statistical signature）」，比如，它們在「防禦島（defense islands）」---在那裡，幾個防禦相關的基因被發現位於彼此附近---中的位置。隨後，鑒於免疫系統基因很少單獨地發揮作用（即便在細菌中，也是如此），這些研究人員開發出複雜的計算機分析方法，以便理解哪些基因聯合起來並共同組成一種防禦系統。

一旦他們將潛在的防禦基因從幾百萬個減少到幾百個時，這些研究人員就需要測試他們鑒定出的候選機制。他們不是嘗試從數百種不同的細菌中分離出基因序列，而是尋求合成生物學的幫助：訂製這些基因。他們把成串的基因密碼---總共有40萬個鹼基---送到一個商業實驗室，從而合成數十種不同的多基因系統用於測試。他們將這些合成系統插入到天然免疫系統已被滅活的實驗室細菌中。接著，他們讓這些細菌接觸噬菌體和其他的感染因子，以便觀察這些移植的防禦系統是否是有活性的。在他們研究的各種系統中，10種防禦系統強力地保護了這些實驗室細菌免受感染，因而將它們鑒定出為新的免疫防禦系統。

Sorek說，在計算機分析和開展實驗的各個階段之間，這項研究要求在他的實驗室里工作兩年的六名人員付出大量的努力。這項研究是由Shany Doron博士和Sarah Melamed博士領導的，而且Gal Ofir、Azita Leavitt博士、Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切參與其中。這個團隊每隔一周就開一次「防禦委員會（defense council）」來討論不同的研究分支和他們已發現的防禦機制。

根據Sorek的說法，這些研究人員仍然並不知道這些新型細菌免疫系統是如何發揮功能的，而且其中的一些系統「似乎具有令人吃驚的我們如今正在開始研究的功能。」其中的一種系統含有Toll-白細胞介素受體（Toll-Interleukin Receptor, TIR）結構域。已知TIR結構域參與動植物（包括人類）的免疫系統，是人類免疫系統的一個組成部分，甚至是植物的一部分，但是在此之前，人們並不知道它們在細菌中是否參與抗病毒防禦。Sorek說，「我們的發現證實我們自身免疫系統的一些重要部分在細菌免疫機制方面具有很深的進化根源。」

其他的基因似乎是從非防禦性細菌系統中「借來的」。比如，已知其中的一個基因來自於細菌中的用於遊動的鞭毛。這些基因通過讓鞭毛攝入質子而給它們提供能量；在Sorek實驗室中發現的這些新型防禦系統之一使用這些基因來對抗噬菌體。另一個被稱作condensin（編碼凝縮蛋白）的基因通常在細胞分裂過程中保護DNA，而且這些研究人員發現了一種使用凝縮蛋白機制中的組分的防禦系統來保護細菌免受質粒---能夠寄生在細菌細胞中的微型環狀DNA---的入侵。

Sorek說，「我們成功地找到10種新型細菌防禦系統的事實意味著存在更多的細菌防禦系統。 我的實驗室正在繼續尋找新的防禦系統，另外，我們正在開始關注幾種更有前景的防禦系統以便理解它們如何發揮功能。」

Sorek說，這些新的發現是令人興奮的，這是因為它們提供了關於免疫系統進化和病毒與它們感染的有機體之間的永恆戰鬥的新窗口。但他也認為，一些人可能尋求強有力的工具用於生物研究：「根據定義，每種免疫系統需要以一種非常具體但靈活的方式靶向入侵的因子，而且我們能夠將這種靶向能力用於生物技術目的，正如我們利用CRISPR和在它之前的限制酶所做的那樣。我們發現的這些新型系統中的任何一種都有可能是下一種基因編輯工具，或者甚至是開發更令人興奮的分子工具的基礎。」

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

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