智商高達180，緝拿罪犯都靠TA

知識 02-27

如果把你縮小到細菌的大小，你會發現，咱們人類有的煩惱，細菌也有。比方說，人會生病，細菌也會生病。因為有一種叫噬菌體的病毒，會專門感染細菌。

碰到細菌之後，噬菌體會把自己的 DNA 注入細菌體內。這些 DNA 就像詐騙犯一樣，跟細菌的 DNA 混在一起，讓細菌稀里糊塗地幫噬菌體「傳宗接代」。

據估計，在大海的表層，每毫升海水大約含有 9 億個噬菌體。生活在海里的細菌悲慘極了，它們大約有 70% 的比例感染了噬菌體。

我們知道，人如果感染了細菌或病毒，身體里的各種免疫細胞就會集體出動，通過免疫反應消滅它們。可是，細菌可沒這條件。因為它本身也是一個細胞，它能派誰去消滅噬菌體入侵呢？

細菌有沒有免疫系統呢？

有！

最近十幾年，分子生物學家發現，細菌還真的像人一樣，有一套專門對抗噬菌體入侵的免疫系統。也許正是在這套免疫系統的保護下，細菌才能存活幾十億年。

那麼，細菌的免疫系統是怎樣對付混入細菌體內的「 DNA 詐騙犯」的呢？首先，在細菌體內，有一種蛋白質特工，專門負責追殺這類「 DNA詐騙犯」。

它們的名字叫作

其次，混入細菌 DNA 中的詐騙犯肯定沒法直接追殺，因為DNA序列長得都差不多。別說蛋白質了，柯南都分不清哪一段是「好 DNA 」，哪一段是「 DNA 詐騙犯」。

於是，要想從 DNA 序列中找到詐騙犯，細菌得先知道詐騙犯長啥樣。

最後，在「通緝令」的指引下，細菌體內的蛋白質特工可以輕鬆找到噬菌體派來的 DNA 詐騙犯，然後「咔嚓」一刀，把它剪斷。這樣一來，噬菌體的詐騙犯 DNA 就掛了，細菌也就治好了自己的病。

所以，這套由「詐騙犯標本庫」、「通緝令」和「特工」組成的免疫系統叫作 CRISPR / Cas 系統。

Cas蛋白如何識別敵我？

不知道你有沒有發現，細菌的這套免疫系統，有一個非常明顯的 bug！

你看，詐騙犯標本和詐騙犯，它們的 DNA 長得一模一樣。負責追殺詐騙犯的是一種蛋白質，蛋白質又沒長腦子，它難道不會偶爾犯糊塗，把庫里的詐騙犯標本給誤殺了嗎？

洛克菲勒大學的劉詩欣博士和他的合作者研究了這個問題。他們的研究對象是，一種比較獨特的細菌免疫系統，叫作CRISPR / Cas10 系統。

他們發現，這個系統中的 Cas10 蛋白可不是死腦筋，而是一種能分辨忠奸的法官。它才不會誤殺標本。那麼，Cas10 蛋白是如何辨忠奸的呢？

我們想像一個蛋白質的時候，總是把它想像成一個固定不變的大分子。但實際上，蛋白質分子就像很多化學分子一樣，是可以發生形變的。比如下面這樣：

劉詩欣和合作者發現，Cas10 之所以能分辨忠奸，靠得就是這種結構的形變，叫作構象變化。

平時，Cas10 蛋白會進入一種「休眠」的構象。如果沒有找到 DNA 詐騙犯，它就會一直保持休眠的狀態，免得把細菌自己的 DNA 砍壞了。

當然，為了防止 Cas10 蛋白誤殺標本庫里的標本，「通緝令」的開頭有一個暗號，用來專門識別詐騙犯是不是標本庫里的。

如果暗號對上了，那就說明這是自家的標本，千萬不能殺。此時，Cas10 蛋白就會依然保持休眠的構象。

總結一下，Cas10 不但不是一個只會打打殺殺的特工，還是一位既不放過一個壞人，也不冤枉一個好人的法官。它會通過一個決策流程判斷自己該休眠還是該開鍘，該果斷鍘還是該具體問題具體分析。

這個流程看起來一點兒也不複雜。但我們要知道，Cas10 並不是可以編程的機器人，而是一個由 800 個氨基酸組成的蛋白質分子。作為一個分子，Cas10 居然能夠根據實際情況做出準確的決策，既不會全部一刀切，也不會對危害人民健康的保健品詐騙團伙視而不見。

對細菌來說，能在殘酷的自然環境中擁有這樣聰明的免疫系統，實在是不幸中的萬幸啊！

作者：Sheldon

繪製：Mirror、黃呆

美指：牛貓

排版：胡豆

鳴謝：王玲

註：

1.在細菌的免疫系統中，最著名的是 Cas9 蛋白參與的「 CRISPR / Cas9 系統」。我們平常聽說的基因編輯，就是通過改造「 CRISPR / Cas9 系統」實現的。

2.在「 CRISPR / Cas10 系統」中， Cas10 蛋白並不是獨立完成工作。每次出門辦案的時候，他都會跟其他幾個蛋白分子形成一個特定的搭配。

圖片來源：Molecular Cell

所以，在我們的漫畫中，包青天一個人無法完成全部工作，他的身後還得跟著展昭、公孫策和其他護衛。

3.「 CRISPR / Cas10 系統」的另一個特點是，它的「通緝令」 crRNA 不是直接識別目標 DNA 的序列，而是趁目標 DNA 正在轉錄成 pre-mRNA時，跟轉錄出的pre-mRNA進行匹配。我們在漫畫中沒有表現這一複雜過程，這並不影響我們的核心結論。

圖片來源：Molecular Cell

4. cas10 蛋白質分子真的是一個相對簡單的分子，不信你看：

圖片來源：《Cell》

參考文獻：

1. Wang et. al, Dynamics of Cas10 Govern Discrimination between Self and Non-self in Type III CRISPR-Cas Immunity, Molecular Cell 73, 1-13 January 17, 2019.

2. Kazlauskiene et al., Spatiotemporal Control of Type III-A CRISPR-Cas Immunity: Coupling DNA Degradation with the Target RNA Recognition, Molecular Cell 62, 295-306 April 21, 2016.

3. You et al., Structure Studies of the CRISPR-Csm Complex Reveal Mechanism of Co-transcriptional Interference, Cell 176, 1-15 January 10, 2019.

4. Jia et al., Type III-A CRISPR-Cas Csm Complexes: Assembly, Periodic RNA Cleavage, DNase Activity Regulation, and Autoimmunity, Molecular Cell 73,1-14 January 17, 2019.

文章來源：本文經授權轉載自公眾號「墨子沙龍」，轉載請聯繫原賬號。

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