PNAS揭示CRISPR系统新功能

　　

生物通报道  CRISPR是细菌用于抵抗病毒的一种基因系统。近日来自埃默里大学医学院和埃默里疫苗中心的研究人员发现，在与一种导致兔热病（tularemia）的细菌亲缘关系较近的新凶手弗朗西丝菌(Francisella novicida)中，CRISPR促进了抗生素耐药性。这项研究发表在7月14日的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

由于其在遗传工程和生物技术中的潜在用途，CRISPR系统受到广泛的关注，然而发现它在细菌基因调控中所起的作用仍然让科学家们感到非常吃惊。乳品行业的研究者们一直希望能够阻止噬菌体（感染细菌的病毒）破坏用于制造奶酪和酸奶的细菌培养物。

细菌将来自噬菌体的DNA小片段整合到它们的CRISPR区域，并利用这一信息破坏噬菌体的DNA由此抵御噬菌体入侵。CRISPR系统的重要组成部分Cas9是一种能够剪切DNA的内切酶，其一直定制用于生物技术中（延伸阅读：CRISPR研究先锋张锋博士发表最新Cell综述（免费））。

新凶手弗朗西丝菌主要感染啮齿类动物，而极少感染人类，但它是研究潜在生物武器：更为危险的为土拉热弗朗西斯氏菌(F.tularensis)的一种模型。后者可感染巨噬细胞并在其中进行复制。

来自埃默里大学医学院传染病科及埃默里疫苗中心的研究人员惊讶地发现，当新凶手弗朗西丝菌中的Cas9编码基因发生突变时，它们对多粘菌素B和诸如链霉素以及卡那霉素等标准抗生素治疗变得更加敏感。他们追踪突变的效应至一种“包膜完整性”缺陷。Cas9调控了一种脂蛋白的生成，这似乎改变了膜的渗透性。

Yerkes国家灵长类动物研究中心和埃默里大学医学院医学助理教授David Weiss博士说：“某些化学物质更容易从外面渗透到突变细菌中。渗透性提高似乎也使得它们更有可能在感染免疫细胞之时拉响警报。”

研究生Timothy Sampson与Weiss曾一起发现，Cas9突变细菌更有可能泄露它们的DNA，触发免疫细胞激活。这是Cas9对于土拉热弗朗西斯氏菌入侵哺乳动物免疫系统至关重要的一个重要的原因。这一研究发现发表在2013年Nature杂志的一篇论文中。

Cas9的调控作用似乎并不仅限于新凶手弗朗西丝菌；Weiss研究小组发现人类胃肠炎的常见致病菌空肠弯曲杆菌中Cas9突变，也会提高渗透性及破坏抗生素耐药性。

这些研究结果支持了近期的研究发现：Cas9与弯曲杆菌和脑膜炎奈瑟球菌等各种致病菌的毒力相关。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A CRISPR-Cas system enhances envelope integrity mediating antibiotic resistance and inflammasome evasion

Clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats–CRISPR associated (CRISPR-Cas) systems defend bacteria against foreign nucleic acids, such as during bacteriophage infection and transformation, processes which cause envelope stress. It is unclear if these machineries enhance membrane integrity to combat this stress. Here, we show that the Cas9-dependent CRISPR-Cas system of the intracellular bacterial pathogen Francisella novicida is involved in enhancing envelope integrity through the regulation of a bacterial lipoprotein. This action ultimately provides increased resistance to numerous membrane stressors, including antibiotics. We further find that this previously unappreciated function of Cas9 is critical during infection, as it promotes evasion of the host innate immune absent in melanoma 2/apoptosis associated speck-like protein containing a CARD (AIM2/ASC) inflammasome. Interestingly, the attenuation of the cas9 mutant is complemented only in mice lacking both the AIM2/ASC inflammasome and the bacterial lipoprotein sensor Toll-like receptor 2, but not in single knockout mice, demonstrating that Cas9 is essential for evasion of both pathways. These data represent a paradigm shift in our understanding of the function of CRISPR-Cas systems as regulators of bacterial physiology and provide a framework with which to investigate the roles of these systems in myriad bacteria, including pathogens and commensals.