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Science:CRISPR系统新发现!也可将RNA片段整合进宿主基因组

发布时间:2016-03-01

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CRISPR(clustered regularly-interspacedshort palindromic repeats,成簇的规律间隔性短回文重复序列)系统调控着许多种原核生物体内的适应性免疫应答。CRISPR本身其实就是细菌基因组DNA上的一段特殊的序列,这段序列倒是很有个性:几十个碱基构成的特殊DNA序列连续串联重复多次,在重复单元之间的间隔也差不多有几十个碱基那么长,但是这些间隔序列的构成却是千变万化毫无规律可循。

在I型和II型CRISPR 系统中,CRISPR相关的Cas1和Cas2蛋白已被证实能够捕获来自入侵的病原体的短DNA片段,从而让细菌适应新的病原体威胁。在几种III型CRISPR 系统中,Cas1天然地与一种逆转录酶(reverse transcriptase, RT)融合在一起。

在一项新的研究中,来自美国德州大学奥斯汀分校和斯坦福大学医学院等机构的研究人员在被称作地中海海单胞菌(Marinomonas mediterranea, MMB-1)的海洋细菌中,发现该细菌利用一种新鉴定出的涉及核糖核酸(RNA)的机制识别和破坏危险的病毒:利用RT-Cas1融合蛋白以一种RT依赖的方式捕获病原体的RNA片段,然后MMB-1 RT-Cas1和Cas2将这些RNA片段整合到该细菌基因组的CRISPR序列中,然后逆转录这些RNA片段,将它们变成位于CRISPR重复序列之间的cDNA。这种识别和破坏病毒的系统类似于捕获外源DNA的CRISPR/Cas9系统。这一发现可能导致人们开发出更好的方法阻止杀死农作物的病毒和干扰诸如奶酪和酸奶之类的乳制品制造的病毒。相关研究结果发表在2016年2月26日那期Science期刊上,论文标题为“Direct CRISPR spacer acquisition from RNA by a natural reversetranscriptase–Cas1 fusionprotein”。

RNA和DNA都在生命中发挥至关重要的作用。在人类和很多其他的有机体中,DNA分子好比是机体的蓝图,而RNA分子好比是施工队,读取这种蓝图,制造机体并且维持生命的功能。

研究人员首次发现细菌能够捕获来自诸如病毒之类的入侵者的RNA片段,并且将这种RNA片段整合到它们自己的基因组中。这些RNA片段有助细菌在未来识别和破坏危险的病毒。

论文共同通信作者、德州大学奥斯汀分校细胞与分子生物学研究所主任Alan Lambowitz说,“这种机制是细菌的一种防御手段。人们可能想象一下将它移植到其他有机体体内,作一种病毒检测器使用。”

这种新发现的机制将病毒的DNA和RNA片段储存在细菌自己的基因组中。研究人员说,从进化的角度来看,鉴于一些病毒是RNA病毒而另一些病毒是DNA病毒,这是比较合理的。

Lambowitz说,下一步,研究人员能够研究如何对诸如西红柿之类的作物进行基因改造从而让作物中的每个细胞携带这种病毒检测器。接着,研究人员就可开展可控的实验室实验:改变环境条件来观察这种改变对病原体的传播有什么影响。

论文共同第一作者、德州大学奥斯汀分校助理研究员Georg Mohr说,“将这些植物与它们面临的环境结合在一起,在自然条件下或者加入除草剂、杀虫剂或杀真菌剂,就可能导致人们发现病原体如何侵入这些植物以及潜在的载体可能是什么。”

另一种应用可能在于乳制品行业,在这种行业,病毒经常感染用于制造奶酪和酸奶的细菌,从而延缓或甚至停止这种制造过程。当前,阻止感染的方法比较复杂和昂贵。Lambowitz和Mohr说,可对用于制造乳制品的细菌进行基因改造以便能够记录它们与病毒之间的相互作用,以及抵抗随后的病毒感染。

这种基于RNA的防御机制与之前发现的CRISPR/Cas9机制非常类似。在CRISPR/Cas9机制中,细菌捕捉来自病毒的DNA片段,并将这些DNA片段储存在它们的基因组中,更重要的是,这种机制已被科学家们用来对几乎所有活的有机体进行基因组编辑,从而在生物研究领域引发一场变革,并且还触发一场专利争夺大战,但是研究人员说,他们并不期待这种新发现的基于RNA的防御机制也发挥类似基因编辑的作用。然而,用来将RNA片段整合到宿主基因组中的酶作用机制比较新颖,因而具有潜在的生物技术应用。

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