Science震撼成果:十个未知的细菌免疫防御机制

日期: 2018年01月29日


    

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不久前,科学家们还不知道“细菌”也有免疫系统。直到十年前才发现为了跟上噬菌体(一种以细菌“为食”的病毒)的进化速度,细菌竟拥有最著名的免疫机制:CRISPR。CRISPR是天然的基因编辑器,它的问世彻底改变了成千上万的生物实验研究。

  

被噬菌体侵染的细胞
被噬菌体侵染的细胞


如今,微生物拥有精细的免疫系统已经是一个广为人知的概念,但是,人们依然缺乏完善的技术手段鉴定除CRISPR以外的其他细菌来源免疫工具。


魏茨曼科学研究所的科学家在《Science》报道了他们的大规模系统性研究成果,前所未有地、一次性报道了十个未知的细菌免疫防御机制!


“这些系统不同于我们以前见过的系统,我们认为,其中一两种很可能将扩充现有基因编辑工具箱,而其他的则有助于揭示人类免疫系统起源,”团队领导者、分子遗传学系研究所的Rotem Sorek教授说。


细菌不能只靠CRISPR独自应对噬菌体战争,Rotem Sorek教授解释道。事实上,许多噬菌体也有让CRISPR失活的“抗-CRISPR”蛋白,证明细菌内必然存在其他备选方案。


Sorek团队通过创建一个计算机程序,扫描了现存的所有被测序的细菌基因组(总计约50000个基因组)以寻找其他系统存在的证据。


与寻找具有特定特征的序列的策略不同,他们的算法更倾向于搜索防御相关基因的“统计特征”。例如,它们在“防御岛(防御相关基因富集区)”上的定位等。


接下来,由于免疫系统基因很少单独行动,研究人员又开发了更复杂的计算机分析方法,以便了解哪些基因具有相互作用,通过协同合作组成细菌的防御系统。


一系列筛查让研究人员将防御相关基因数目从数百万个缩小到几百个,之后,他们开始测试候选机制。


研究小组没有试图逐一分离和鉴定上百种细菌的遗传序列,而是灵活运用了合成生物学。


他们把一系列基因密码字符串(共计约40万个碱基),交给商业实验室(公司)以构建含几十个不同多基因系统的合成细菌再进行测试,“通用模板”细菌的天然免疫系统已经灭活,让加载数十个外源防御基因的合成细菌暴露在噬菌体和其他感染元素之中,检查移植的防御系统是否起效。


结果显示,其中10种组合系统对实验细菌起强烈保护作用,至此,全新的细菌免疫防御系统浮出水面。


这项研究是一场声势浩大的持久战。在Shany Doron博士和Sarah Melamed博士的领导下,Sorek课题组的Gal Ofir、Azita Leavitt博士、Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士等6人,2年来坚持密集性高强度工作,每隔一周召开一次“防御会议”研讨实验进展和相关防御机制。


“如果我们能找到10个新细菌防御系统,意味着天然细胞中还存在更多,”Sorek说。“事实上,我们还在继续寻找,另外也在关注几个比较有前途的基因组合,以了解它们发挥作用的机制。”


正如科学家们已经运用自如的限制性酶和CRISPR,任何一个新的系统,都有可能是下一个令人兴奋的分子工具!


原文检索:Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome


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