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Cas13诱导细胞休眠,以阻止抗Crispr噬菌体的生长

作者:Meeske

什么东西不杀死细菌,发而会使它更强壮?

对付侵略者最好的防御就是好好睡一觉。至少,这种策略似乎对细菌有效。

美国Rockefeller研究院的科学家们指出,受到病毒攻击的微生物不仅会攻击入侵的敌人,还会攻击他们自己。

这种剧烈的措施并没有杀死细菌自己,而是使它们进入休眠状态,以防止感染扩散。

恶性病毒

细菌把被称为噬菌体的病毒看成是头号公敌。

这些病原体通过将其基因组注射到毫无戒心的微生物中进行繁殖,最终导致宿主细胞破裂,此时后代噬菌体被释放出来,感染细菌群的其他成员。

为了减轻这些攻击,细菌进化出了称为Crispr的免疫机制,借助相关的Cas酶,可以检测并破坏外来的遗传物质。

微生物拥有许多不同的CRISPR系统,其中一个系统因其独特的防御入侵策略,而引起了Luciano Marraffini的注意。

大多数Cas酶破坏病毒的DNA,而这种特殊的酶Cas13通过切割RNA起作用。

"由于CAS13的目标是RNA,最初被认为是通过RNA基因组阻止噬菌体的进化。问题是,RNA噬菌体极其罕见。所以我们想看看它是否已经进化成了一种不同的功能。"Marraffini说。

Marraffini和Meeske等人的研究表明,激活Cas13实际上可以保护细菌免受带DNA基因组的噬菌体的侵害,而DNA基因组的噬菌体更为常见。

但是,他们想知道,这种RNA切割酶能否保护微生物免受这种病毒的攻击?

通过一系列的实验,Meeske和他的同事分析了cas13是如何影响RNA的。他们发现,这种酶广泛切割RNA,分解病毒和宿主细胞产生的RNA。不可思议的是,CAS13通过阻碍细菌而帮助细菌。这种酶会切断宿主RNA的片段,使细菌进入休眠状态—— 一种微生物存活但不生长的休眠状态。

当CAS13剪断了可以被病毒利用的RNA区域,病毒无法复制。这表明宿主细胞在某种程度上阻止了病毒的繁殖。

当Meeske设计出CAS13无法识别的突变病毒时,这些病毒在Listeria菌体内大量繁殖。

但是,当突变的病毒添加上正常的、非突变的病毒实际上保护了细胞不受感染,它们使CAS13运作并切断细胞中的所有RNA。”这太违反直觉了,太令人惊讶了!”

没有RNA,细菌细胞不能继续生长和有功能。在无功能细胞中,突变病毒不能繁殖。

尚不清楚细胞是否能从休眠中恢复过来,或者最终死亡。但是,通过阻止病毒的复制,这些细胞可以保护更多的细菌种群免受威胁。

Meeske说,这种策略有效,因为病毒需要宿主RNA来复制。

他解释说:“噬菌体是寄生虫:它们没有繁殖所需的所有元素,因此它们依赖宿主。”如果宿主细胞不产生这些元素,噬菌体就不能繁殖。”

无处可逃

研究人员还发现,Cas13比其他Cas酶更能彻底地杀死病毒。标准的Crispr-Cas系统具有高度的特异性,能够切割出符合精确基因序列的DNA片段。

虽然这种特异性是一种有用的功能,但它也有一个很大的缺点:如果病毒变异,Crispr就不能识别入侵者,噬菌体也能逃脱惩罚。

Marraffini说:“如果一个噬菌体在其目标序列中有一个单点突变,那么通常情况下,这种病毒对CAS是不可见的,并且感染会成功。”

但有了CAS13,我们没有看到任何逃脱的突变体。”

研究人员将这种出色的抗病毒能力归因于这样一个事实:细胞休眠并不是针对一种特定的病毒,而是使包括突变体在内的任何噬菌体都不可能繁殖。

虽然不确定的小睡看起来不像微生物的生活,但Meeske指出,CAS13的真正好处不在于某个方面,而在于整个细菌群落。

他说:“噬菌体只有一次机会传递它的基因,并进行复制。”因此,如果他们把自己的基因组注射到一个不适宜居住的宿主体内,感染就会停止。

噬菌体丢失,细菌群获胜。”

20190717.jpg

图1 研究VI-A型CRISPR免疫的Listeria噬菌体感染模型。

a. ϕRR4基因组示意图。感染这种菌株的噬菌体还没有被鉴定出来。

   我们对Listeria seeligeri RR430菌的基因组进行了测序,发现它含有一个42 kb的噬菌体,ϕRR4,类似于李斯特菌listeriophage A118。

   尽管由溶血原诱导的ϕRR4颗粒没有感染李斯特 Seelegiri ATCC35967,但ϕRR4在密切相关的李斯特Ivanovii RR3菌株中传播(99.2%,16s rRNA测序确认)。

b. 利用pAM125载体,将Listeria Seeligiri ATCC35967的VI-A型CRISPR位点插入Listeria Ivanovii RR3的tRNAArg基因中,产生Listeria Ivanovii ΩCRISPRVI。

c. Listeria Ivanovii ΩCRISPRVI中的VI-A型抗质粒免疫试验

d. 通过VI型间隔库防止ϕRR4溶解感染。

e. 100个碱基对平均间隔物富集率, 感染后/感染前间隔物丰度。


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参考文献

Cas13-induced cellular dormancy prevents the rise of CRISPR-resistant bacteriophage

Alexander J. Meeske, Sandra Nakandakari-Higa & Luciano A. Marraffini





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