2017年，基因编辑CRISPR在众多研究领域中杀出了一条血路，虽然人体试验的开展仍然有着许多顾虑，但是CRISPR治疗疾病已然成为了目前最火热的焦点。此外，凭借着成本低廉，操作方便，效率高等优点，CRISPR迅速在全球的生物、医学实验室中站稳了脚跟，研究人员不用再找专门的生物公司，自己在实验室就能搞定基因的敲除等需求。
不过，奇点糕想问大家，有多少人记得，以基因编辑闻名天下的CRISPR的“初心”居然是“免疫系统”呢？是的，CRISPR作为一段有规律间隔的重复序列，最开始是作为细菌的免疫防御系统被发现的。距离它的发现，已经有31年了。
31年后的今天，来自以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek教授带领团队，一口气发现了10个新的细菌免疫防御系统！他们的研究成果发表在了《科学》杂志上。其中9种是抗噬菌体系统，还有1种抗质粒系统[1]。Sorek教授认为它们之中有几种有潜力成为新的基因编辑工具。
Rotem Sorek教授
1987年，日本大阪大学的分子生物学家Yoshizumi Ishino在Journal of Bacteriology杂志上发表文章[2]，他在研究大肠杆菌的碱性磷酸酶同工酶（iap）基因时偶然发现了一段位于iap基因上游的有规律间隔的重复序列。不过Ishino当时也没有深究，只是将它作为一个有意思的发现发表了。
一晃十几年就过去了，2000年时，西班牙的微生物学家发现这段序列在细菌和古细菌中广泛存在[3]。2年后，这段序列终于有了属于自己的名字——CRISPR。
但是直到2007年，研究人员才揭示了在细菌中，CRISPR系统的功能是提供“获得性免疫”[4]。在噬菌体等侵染细菌时，被俘获的DNA就存储在CRISPR这段序列的间隔区，当这些外源DNA再次入侵时，CRISPR就能识别它们并切断，沉默这些基因的表达，当然这也是CRISPR能成为基因编辑工具的原因。不过，只有约40%的已知细菌中有CRISPR系统[5]，这就引申出了一个问题，剩下60%的细菌呢？
这个疑问让Sorek教授意识到，在细菌的免疫系统领域还有很多可挖掘的东西，才有了这次的新发现。
Sorek教授表示，他们还没有确定这些新发现的免疫系统的具体作用机制，不过这些系统和以前发现的不完全相同，除了有可能诞生新的基因编辑工具外，其他的则为寻找人类免疫系统的起源提供了新的方向[6]。
无论是这两种“功能”中的哪种，都足够让人心潮澎湃，有两位没有参与研究的研究人员表示，“这是生物信息学的伟大成就。”“从科学的角度来说，这项研究太酷了。”[7]
为什么是生物信息学的成就呢？因为研究人员开发了一个计算机算法，扫描了超过45000个已经测过序的细菌和古细菌基因组，大约有超过1.2亿个基因。通过算法，他们找到了已知有“防御”功能的基因附近的功能未知基因，因为“免疫防御系统基因”通常不会是单独工作的，它们应该是“一个小组”。在经过逐轮筛选后，研究人员将范围从几百万减小到了几百，接下来的工作就是测试这些基因的功能了。
从已知的免疫系统基因（如Cas9、限制内切酶）等入手，探索它们附近大量存在的基因，筛选出备选的系统
此时研究人员没有选择用从细菌中分离基因序列的方法，而是转向了合成生物学。他们将组成这些基因的大约40万个碱基送到商业实验室中，请他们帮忙合成出了28种不同的序列用以测试。
研究人员将这些序列分别插入到免疫系统失活了的大肠杆菌和枯草芽孢杆菌中，将它们暴露在噬菌体和质粒等物质中，观察两种菌是否能抵抗侵染。经过这个实验，新的10种“免疫系统”就被鉴定出来了！
给这些免疫防御系统命名使研究人员犯难了，因为当初给CRISPR起名时，他们就是用CRISPR的特征——成簇的、规律间隔的、短回文、重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat Sequences）的首字母串成了CRISPR这个名字，现在要一口气起10个，起名废的科学家们懵了。他们想，免疫系统是起到“保护作用”，那就用神话中保护神的名字来命名吧！于是，Zorya系统、Druantia系统等等就诞生了。
篇幅有限，奇点糕不能一一介绍，感兴趣的朋友们可以对照图里自行理解~
虽然没能揭示作用机制，但是研究人员解析了系统的结构，也有一些有趣的发现。比如Zorya系统，它的一部分基因来源于细菌鞭毛的质子通道，本来是帮助鞭毛获取能量的，而初步的研究发现，它们在免疫系统中可能有“自杀功能”，也就是说，当细菌被噬菌体感染后，就会“自杀”。
再比如Thoeris系统，它包含Toll—白介素受体（TIR）结构域，TIR结构域是我们人体免疫系统不可或缺的一部分，参与信号转导，在天然免疫中发挥着重要作用，但这是研究人员第一次在细菌中发现它们也发挥免疫功能。这一结果也表明，从进化的角度来看，我们人类的免疫系统和细菌可能有着很深的同源性。
在论文的最后，研究人员指出，过去，细菌防御系统的发现和机制的揭示为我们带来了重要的生物技术工具。除了CRISPR之外，更早被发现和应用的限制性内切酶也是一个典型例子，能追溯到20世纪中期，是遗传工程领域的革命性发现，它们也是可以识别、切割，甚至是修饰来自噬菌体等的外源DNA，保护细菌。还有从真核生物（线虫）中发现的RNA干扰（RNAi）技术也是思路类似。
因为这些“防御系统”具有准确识别内源DNA和外源DNA以及高精度的靶向性的特点，注定它们中有不少适合成为分子工具，未来，研究人员也将继续探索他们发现的这10种新的防御系统的作用机制。“我们发现的任何一个新系统都有可能成为下一个基因编辑工具，甚至可能会发现更加令人激动的。”[6]
参考文献：
[1] S. Doron et al., “Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome,” Science, doi:10.1126/science.aar4120, 2018.
[2] Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, et al.Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphataseisozyme conversion inEscherichia coli, and identification ofthe gene product[J]. J Bacteriol,1987,169(12):5429-5433.
[3] Mojica F J, Diez-Villasenor C, Soria E, etal. Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomesof Archaea, Bacteria and mitochondria[J]. Mol Microbiol, 2000,36(1):244-246.
[4] Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, et al.CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes[J]. Science,2007,315(5819):1709-1712.
[5] Kunin V, Sorek R, Hugenholtz P. Evolutionary conservation of sequence and secondary structures in CRISPR repeats[J]. Genome biology, 2007, 8(4): R61.
发表于 2018-1-30 04:10
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