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的科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多地將一種被稱作CRISPR-Cas9的細(xì)菌免疫防御系統(tǒng)作為對(duì)活細(xì)胞中的DNA進(jìn)行編輯的工具。這種新技術(shù)讓基因編輯變得更加容易和更加。但是，這些CRISPR系統(tǒng)如何在自然界中起作用還獲得*理解。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員確定了存在于多種CRISPR系統(tǒng)中的一種被稱作Cas4的蛋白的作用。他們證實(shí)這種蛋白有助于細(xì)菌細(xì)胞形成對(duì)入侵病毒的DNA序列的記憶，從而保護(hù)它們免受病毒感染。利用Cas4獲得的病毒記憶能夠有助細(xì)菌細(xì)胞足夠快地找到并摧毀入侵病毒，從而存活下來(lái)。這一發(fā)現(xiàn)是為全面理解CRISPR系統(tǒng)而取得的另一項(xiàng)重要進(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年3月27日的Cell Reports期刊上，論文標(biāo)題為“Cas4 Facilitates PAM-Compatible Spacer Selection during CRISPR Adaptation”。
 

圖片來(lái)自Getty Images/TU Delft。

盡管人眼觀察不到，但是細(xì)菌和病毒一直在相互交戰(zhàn)。每天，被稱作噬菌體的微小病毒樣顆粒都會(huì)殺死地球海洋中的大約三分之一的細(xì)菌。代爾夫特理工大學(xué)的Stan Brouns博士解釋道，“這類病毒將它們的DNA或RNA注入細(xì)菌細(xì)胞中，嘗試并控制它。如果這種劫持取得成功，那么這種病毒就能夠?qū)?/span>細(xì)菌用作生產(chǎn)自身拷貝的小型工廠。”

基因記憶

作為對(duì)病毒入侵的反擊，細(xì)菌經(jīng)過(guò)進(jìn)化產(chǎn)生防御機(jī)制，如具有切割病毒DNA的能力因而中和這種威脅的CRISPR-Cas9。然而，在這種情形發(fā)生之前，細(xì)菌需要擁有對(duì)一種病毒的基因記憶。它必須認(rèn)識(shí)到這種病毒是一種威脅。

這種記憶是通過(guò)細(xì)菌獲取病毒的DNA片段并將這些片段插入到自己的遺傳密碼中形成的。 如果相同類型的病毒再次攻擊這種細(xì)菌，那么細(xì)菌細(xì)胞就會(huì)識(shí)別入侵者并派遣切割蛋白，如Cas9。將這些病毒DNA片段產(chǎn)生的RNA作為一種“備忘單”，這種切割蛋白開(kāi)始尋找并破壞這種病毒，從而讓細(xì)菌保持安全。

病毒DNA片段

科學(xué)家們已知道幾種蛋白存在大多數(shù)CRISPR系統(tǒng)中。然而到目前為止，一種被稱為Cas4的蛋白的作用仍然是不清楚的。與Cristóbal Almendros一起作為論文*作者的博士生Sebastian Kieper說(shuō)，“鑒于這種蛋白存在于大多數(shù)的CRISPR系統(tǒng)中，我們知道它定是比較重要的。”

為了發(fā)現(xiàn)Cas4到底發(fā)揮什么作用，這些研究人員將Cas4基因?qū)氲胶兄饕腃RISPR記憶形成機(jī)制的大腸桿菌細(xì)胞中。他們并沒(méi)有將這個(gè)基因引入到其他的細(xì)胞中。Brouns說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有Cas4的情況下，這種細(xì)菌仍然形成針對(duì)入侵病毒的記憶，但是這些記憶不能提供保護(hù)。”換言之，僅當(dāng)Cas4存在時(shí)，入侵病毒的DNA片段才被插入到這種細(xì)菌的基因組中，從而讓這種細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生病毒抵抗力。

功能性記憶

進(jìn)一步的研究揭示出細(xì)菌在沒(méi)有使用Cas4的情況下為什么不能夠使用它們形成的記憶。這與前間隔序列鄰近基序（protospacer adjacent motif, PAM）有關(guān)，其中PAM是由少量堿基對(duì)組成的短DNA序列，起著作為Cas9等DNA切割蛋白的識(shí)別點(diǎn)的作用。Brouns說(shuō)，“利用Cas9進(jìn)行基因組編輯的任何人都知道選擇PAM對(duì)實(shí)驗(yàn)取得成功是至關(guān)重要的。”

細(xì)菌面臨同樣的問(wèn)題。Brouns解釋道，“當(dāng)選擇一段病毒DNA作為記憶插入到細(xì)菌基因組中時(shí)，CRISPR系統(tǒng)也需要選擇側(cè)翼有PAM的序列。Cas蛋白將利用PAM序列尋找它的靶序列，它不會(huì)靶向側(cè)翼沒(méi)有PAM的DNA序列。”因此，PAM也起著保護(hù)作用，阻止Cas蛋白切割細(xì)菌自己的DNA。

Cas4的作用是確保僅側(cè)翼有PAM的病毒DNA序列插入到細(xì)菌的DNA中。這導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)生功能性記憶，從而確保當(dāng)病毒再次嘗試攻擊，這些細(xì)菌能夠利用形成的記憶阻止病毒入侵。

這些研究人員如今正在研究這個(gè)過(guò)程是如何發(fā)揮作用的，以及如何利用這一發(fā)現(xiàn)。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Sebastian N. Kieper, Cristóbal Almendros, Juliane Behler et al. Cas4 Facilitates PAM-Compatible Spacer Selection during CRISPR Adaptation. Cell Reports, 27 March 2018, 22(13):3377–3384, doi:10.1016/j.celrep.2018.02.103