Nature揭秘CRISPR系统的选择识别机制

　　细菌具有一种免疫系统来对抗称作为噬菌体的入侵病毒，也许会让你感到有些惊讶。并且像从单细胞到人类的所有免疫系统一样，细菌免疫系统面临的第一个挑战就是要检测出 “外源物质”与“自身物质”的差异。这并不简单，因为病毒、细菌和所有其他的生物都是由DNA和蛋白质构成。来自Weizmann研究所和以色列特拉维夫大学的一个研究小组，现在揭示出了细菌究竟是如何做到这一点的。他们的研究结果发表在4月13日的《自然》（Nature）杂志上。

　　Weizmann研究所分子遗传学系Rotem Sorek教授说：“在大多数环境中，噬菌体的丰度比细菌要高约10倍。并且像所有的病毒一样，细菌利用了宿主细胞的复制机器来生成自身拷贝。它们不断进化出一些新途径来做到这一点。因此细菌需要非常活跃的免疫系统维持存活。”

　　而直到近年，科学家们甚至都还不确定细菌具有一种适应性免疫系统——“记住”过去的遭遇来产生针对性的反应。当几年前一种叫做CRISPR的细菌适应性系统被发现，这种情况才发生改变。CRISPR免疫机制不仅对于细菌至关重要，对我们的日常生活也造成了重大的影响：例如，当前它被用来保护制造酸奶和奶酪的“好”细菌。它或许还会影响我们的未来：科学家们已经想到了如何利用这一精巧的CRISPR系统来“编辑”人类基因组——使得它成为了一种适用于广泛临床应用的简便工具。

　　为了记住感染，CRISPR系统从入侵病毒DNA处抓取了一段短序列，将它直接插入到细菌基因组中。一些噬菌体DNA片段被储存在基因组的特定区域中；这些形成了免疫记忆。在随后的感染中，CRISPR利用这些序列构建出了与噬菌体遗传序列相匹配的短RNA链。连接这一RNA的蛋白质复合物随后鉴别出噬菌体DNA然后破坏它。

　　选择性很显然是这一系统的一个问题。在以往的研究中Sorek实验室证实，错误抓取自身DNA片段可导致细菌细胞罹患一种自身免疫疾病，攻击它自身的DNA，这对于细菌可能是致命的。Sorek说，在细胞内自身DNA比外源DNA要高约100倍，似乎为比研究人员实际观察到的要更多的错误提供了空间。

　　那么CRISPR系统是如何知道将外源DNA而非自身DNA片段插入到免疫记忆中去呢？Sorek和他的研究生Asaf Levy，与特拉维夫大学的Udi Qimron和Moran Goren教授合作详细解答了这一问题，揭示出了CRISPR这一部分过程背后一个复杂的、多步骤机制。

　　他们利用质粒——模拟病毒的短、圆形DNA片段，设计了一种实验装置并将其注入到细菌细胞中。这些细菌具有两种称作为Cas1和Cas2的蛋白——是CRISPR系统的组成部分，负责获取外源DNA片段。CRISPR系统成功地将质粒DNA整合到了细菌的基因组中，而“自身”DNA很少遭到攻击。研究小组记录了大约3800万个独立的免疫事件。

　　在更仔细地检测这些结果后，研究小组发现CRISPR系统利用Cas 1和2特异地识别了快速复制的DNA。而具有讽刺意味的是，这是噬菌体的一种生存策略，却也是造成它毁灭的原因。

　　Sorek说：“不过这仍然不能完全解释CRISPR系统是如何区分自我和非我的。”

　　更深入地了解整个过程让这一问题迎刃而解。在DNA复制过程中，频繁发生小的DNA断裂；这些断裂召唤了一种DNA修复酶“啃咬”断裂DNA片段。研究小组发现这一修复机器啃咬留下的一些“剩余物”，实际上是CRISPR利用来生成细菌免疫记忆的病毒DNA的来源。但是当这些修复酶遇到一种叫做“Chi位点”的短序列时，它会停止啃咬。这样的Chi序列非常频率地存在于整个细菌基因组中，但却很少存在于病毒基因组中。因此Chi位点也充当了“自我”标记物：当它们存在时会抵制CRISPR机器的活性，但如果缺失它们CRISPR机器就能够利用噬菌体DNA片段。

　　因此细菌细胞利用它的正常DNA复制和修复过程鉴别了噬菌体DNA，检测及复查了两种基本的方式都与“自身”基因组不同的新DNA。通过两个CRISPR蛋白Cas1和2的活性，细菌免疫系统可以确保它只将外源DNA添加到了免疫“记忆”中，因此可以激活它的防御。

　　Sorek说：“解开细菌免疫系统这个识别自我和非我的谜题，破译了CRISPR过程中这一步骤的确切机制为我们提供了关于这种环绕在我们周围，始终无处不在的、看不见的对抗的一些重要见解。在未来利用CRISPR系统的临床应用中或许可以利用细菌这种逃避自身免疫的方法。”