巨型噬菌体如何逃避细菌的CRISPR-Cas防御系统

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CRISPR-Cas系统原本是作为细菌的适应性免疫系统，帮助其对抗噬菌体。不过，最近新西兰奥塔哥大学的研究人员发现，一种巨型噬菌体能够逃避细菌的防御系统。这些发现不仅扩展了生物学知识，也有助于新型抗菌剂的开发。


这篇题为“A jumbo phage that forms a nucleus-like structure evades CRISPR–Cas DNA targeting but is vulnerable to type III RNA-based immunity”的文章于本周发表在《Nature Microbiology》杂志上。


噬菌体是地球上最丰富的生物体，对全球的生态系统很重要。它们可用来杀死细菌性病原体。为了抵御噬菌体的入侵，细菌形成了CRISPR-Cas防御系统。不过，道高一尺魔高一丈，噬菌体也想出了许多办法来逃避细菌的防御。


在这项研究中，奥塔哥大学的研究人员发现了一种沙雷氏菌（Serratia）巨型噬菌体。顾名思义，这种噬菌体很大，有几百个基因。如果将100个噬菌体并列，那么与人类头发的宽度差不多。细菌通常采用CRISPR-Cas防御系统来切割噬菌体的DNA,但却无法识别这种巨型噬菌体。


文章第一作者、微生物与免疫学系的博士生Lucia Malone表示，大家都很纳闷噬菌体如何逃避防御系统。“我们有一些分子和遗传证据显示正在发生什么，但我们还需要直接观察这些小细菌的内部。”


好在，奥塔哥大学的Laura Gumy博士最近搭建了一种新型的转盘式共聚焦显微镜，能够对活细胞进行高分辨率成像。据悉，这是新西兰唯一一台具有此功能的显微镜。他们便利用此工具来观察巨型噬菌体。


Gumy博士解释说：“当噬菌体感染细菌时，我们发现它们的DNA被一个物理保护罩包裹起来，让细菌的CRISPR-Cas防御系统无法靠近。”沙雷氏菌的三种CRISPR-Cas复合物（I-E、I-F和III-A型）都无法靶向噬菌体DNA.


当然，细菌也不是吃素的，它们还有最后一招。III-A型CRISPR-Cas复合物能够识别噬菌体释放的RNA信息，从而阻止巨型噬菌体的感染。“这是这些噬菌体的致命弱点，可以被识别RNA的CRISPR-Cas防御系统所破坏，”Malone说。


Fineran博士解释说，这项研究加深了人们对噬菌体-宿主相互作用的了解，并证明了巨型噬菌体对细菌防御系统不太敏感。“从生物学的角度来看，我们的结果为噬菌体如何逃避细菌防御系统提供了让人兴奋的新见解。”

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原文检索

Malone, L.M, Warring, S.L, Jackson, S.A. et al. A jumbo phage that forms a nucleus-like structure evades CRISPR–Cas DNA targeting but is vulnerable to type III RNA-based immunity. Nat Microbiol (2019) doi:10.1038/s41564-019-0612-5

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