Jennifer Doudna实验室又一力作——噬菌体基因组编辑

获得诺贝尔奖的基因编辑技术CRISPR有望再次对微生物学和医学领域产生深远影响。这项关于噬菌体工程的工作是噬菌体生物学的最高里程碑之一。

　　

   

   

噬菌体，使用注射器状的装置将它们的遗传物质插入细菌细胞，然后劫持宿主的蛋白质构建机制，以实现自我繁殖——通常在这个过程中杀死细菌。(它们对包括我们人类在内的其他生物无害，尽管电子显微镜图像显示它们看起来像邪恶的外星飞船。)

获得诺贝尔奖的基因编辑技术CRISPR有望再次对微生物学和医学领域产生深远影响。

由CRISPR先驱Jennifer Doudna和她的长期合作伙伴Jill Banfield领导的团队开发了一种聪明的工具，使用一种罕见的CRISPR形式编辑噬菌体的基因组。容易地设计定制噬菌体的能力——这是研究团体长期回避的问题——但其可以帮助研究人员在不使用抗生素或刺激性化学物质的情况下控制微生物群治疗危险的耐药性感染。新文章发表在Nature Microbiology。

“噬菌体是地球上最丰富、最多样化的生物实体之一。与之前的方法不同，这种编辑策略对噬菌体的巨大遗传多样性起作用，”Doudna实验室的博士后、第一作者Benjamin Adler说。“这里有很多令人兴奋的方向——发现就在我们的指尖!”

CRISPR-Cas是许多细菌和古生菌用来对抗噬菌体的一种免疫防御机制。CRISPR-Cas系统由与噬菌体基因序列互补的RNA短片段组成，当侵入性遗传物质被插入时，允许微生物识别;在RNA引导下，剪刀状酶将噬菌体基因切成无害的片段，从而中和噬菌体基因。

千百年来，噬菌体进攻和细菌防御之间无休止的进化斗争迫使噬菌体特殊化。有很多微生物，所以也有很多噬菌体，每一个都有独特的适应性。这种惊人的多样性使噬菌体编辑变得困难，包括使它们对多种形式的CRISPR具有抵抗力，这就是为什么最常用的系统——CRISPR-Cas9——在这种应用中不起作用。

Adler说:“噬菌体有很多方法来逃避防御，从抗CRISPR到只擅长修复自己的DNA。所以，从某种意义上说，噬菌体基因组中编码的适应使它们非常善于操纵微生物，这与开发一种编辑它们基因组的通用工具如此困难的原因是完全相同的。”

项目负责人Doudna和Banfield自2008年首次合作进行CRISPR的早期研究以来，已经共同开发了许多基于CRISPR的工具。这项工作是在劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)完成的，伯克利实验室的团队以及加州大学伯克利分校的研究人员正在研究一种叫做CRISPR- Cas13的罕见形式的CRISPR的特性(源于一种常见于人类口腔的细菌)，他们发现这种版本的防御系统可以对抗大量的噬菌体。

Adler解释说，考虑到使用CRISPR-Cas13的微生物很少，它对抗噬菌体的能力出人意料。科学家们感到加倍惊讶，因为它在测试中击败了所有使用双链DNA感染的噬菌体，但CRISPR-Cas13系统只靶向和切割单链病毒RNA。像其他类型的病毒一样，一些噬菌体具有基于DNA的基因组，而一些噬菌体具有基于RNA的基因组。然而，所有已知的病毒都使用RNA来表达它们的基因。CRISPR-Cas13系统有效地中和了9种不同的DNA噬菌体，这些噬菌体都感染了大肠杆菌，然而它们的基因组几乎没有相似之处。

据合著者、噬菌体专家Vivek Mutalik(伯克利实验室生物科学领域的工作科学家)说，这些发现表明，CRISPR系统可以通过靶向噬菌体的RNA来防御各种基于DNA的噬菌体，这些RNA在蛋白质翻译之前已经被细菌自身的酶从DNA转化为RNA。

接下来，该团队演示了该系统可以用来编辑噬菌体基因组，而不仅仅是防御性地切割它们。

首先，他们将想要创造的噬菌体序列组成的DNA片段与原生噬菌体序列放在一起，并将其放入噬菌体的目标细菌中。当噬菌体感染携带DNA的微生物时，一小部分在微生物内部繁殖的噬菌体接受了改变的DNA，并将其合并到自己的基因组中，取代原来的序列。这一步是一种长期存在的DNA编辑技术，称为同源重组。在噬菌体研究中，几十年来存在的一个问题是，尽管这一步，即实际的噬菌体基因组编辑工作正常，但从更大的正常噬菌体池中分离并复制经过编辑的序列的噬菌体是非常棘手的。

这就是CRISPR-Cas13发挥作用的地方。在第二步中，科学家们设计了另一株宿主微生物，使其包含一个CRISPR-Cas13系统，该系统可以感知和防御正常的噬菌体基因组序列。当第一步生成的噬菌体暴露于第二轮宿主时，具有原始序列的噬菌体被CRISPR防御系统击垮，但少数编辑过的噬菌体能够躲过它。它们存活下来并复制了自己。

三个不相关的实验噬菌体感染大肠杆菌显示出惊人的成功率:在两步过程中产生的噬菌体中，99%以上含有编辑，从大量的多基因缺失一直到精确替换单个氨基酸。

Mutalik说:“在我看来，这项关于噬菌体工程的工作是噬菌体生物学的最高里程碑之一。由于噬菌体影响微生物生态、进化、种群动态和毒性，细菌及其噬菌体的无缝工程对基础科学有着深远的影响，而且也有可能在生物经济的所有方面产生真正的影响。除了人类健康，这种噬菌体工程能力还将影响从生物制造、农业到粮食生产的一切。”

受到初步结果的鼓舞，科学家们目前正致力于扩展CRISPR系统，将其用于更多类型的噬菌体，从影响土壤微生物群落的噬菌体开始。他们还将其作为一种工具来探索噬菌体基因组中的遗传奥秘。谁知道细菌和病毒之间微观战争的战利品还能激发出什么其他神奇的工具和技术呢?