像大多數(shù)生物一樣，細(xì)菌會(huì)被稱為噬菌體的細(xì)菌病毒所捕食---它們消滅入侵者的常用方法是簡單地將它們切碎。一旦看到噬菌體，細(xì)菌可能會(huì)采用一系列免疫策略，使用分子切割器（如CRISPR-Cas，也是一種流行的實(shí)驗(yàn)室工具的名字）來切割它的基因組。

如今，在一項(xiàng)新的研究中，來自洛克菲勒大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的多種防御策略并不是孤立地發(fā)揮作用的：CRISPR-Cas系統(tǒng)和細(xì)菌的另一種突出的防御策略（稱為限制性內(nèi)切酶）之間發(fā)生了令人驚訝的合作水平。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Molecular Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Cleavage of viral DNA by restriction endonucleases stimulates the type II CRISPR-Cas immune response”。

論文通訊作者、洛克菲勒大學(xué)教授、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員Luciano Marraffini說，“許多科學(xué)家在研究中使用了這些系統(tǒng)中的一種或兩種，但我們不知道它們在細(xì)菌中的聯(lián)系程度?！?/p>

這些研究結(jié)果表明，雖然限制性內(nèi)切酶作為第一道防線，但它們也為CRISPR-Cas準(zhǔn)備了精確靶向入侵的噬菌體病毒所需的材料。Marraffini說，“這一機(jī)制讓人想起我們自己的多管齊下的免疫反應(yīng)。它包括一個(gè)臨時(shí)的第一道防線，然后再激活第二個(gè)更強(qiáng)大的適應(yīng)性反應(yīng)。”

多步驟保護(hù)

限制性內(nèi)切酶能夠切割較短的DNA序列，因此細(xì)菌在噬菌體入侵細(xì)菌細(xì)胞時(shí)就利用了它們。作為一種更復(fù)雜的系統(tǒng)，CRISPR-Cas隨后介入。當(dāng)限制性內(nèi)切酶像割草機(jī)一樣粗暴地切割噬菌體DNA時(shí)，CRISPR-Cas就像一個(gè)辛勤的園丁使用的剃須刀一樣鋒利。它通過將噬菌體入侵者整齊地與針對(duì)特定基因序列的向?qū)NA（gRNA）對(duì)齊，以完美的精確度切割入侵者。

圖片來自Molecular Cell, 2022, doi:10.1016/j.molcel.2022.01.012。

這兩種類型的細(xì)菌防御系統(tǒng)通常被生物學(xué)家使用，他們的日常工作涉及為各種目的操縱DNA--如基因測序、使分子發(fā)出熒光或構(gòu)建對(duì)基因組進(jìn)行改造的的動(dòng)物。在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們利用限制性內(nèi)切酶開發(fā)出一種叫做重組DNA的新工具，這使得克隆和研究單個(gè)基因成為可能。在十年前，基于CRISPR-Cas的技術(shù)給科學(xué)家們提供了在活細(xì)胞和有機(jī)體內(nèi)編輯基因組的手段，從而徹底改變了生物科學(xué)。

Marraffini實(shí)驗(yàn)室研究生Pascal Maguin在研究金黃色葡萄球菌時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種細(xì)菌的兩種噬菌體切割策略在一起工作比單獨(dú)工作更好。當(dāng)金黃色葡萄球菌只受到限制性內(nèi)切酶的保護(hù)時(shí)，它們的防御是短暫的，因?yàn)橐恍┦删w最終會(huì)開始保護(hù)它們的DNA，而且經(jīng)過一段時(shí)間后，培養(yǎng)皿中生長的金黃色葡萄球菌會(huì)開始減少。然而，如果金黃色葡萄球菌有機(jī)會(huì)使用這兩種防御系統(tǒng)，它們就會(huì)迅速恢復(fù)。

Maguin和他的同事們發(fā)現(xiàn)這兩種系統(tǒng)是如何協(xié)同工作的--之前被限制性內(nèi)切酶切割的片段幫助CRISPR-Cas系統(tǒng)產(chǎn)生找到噬菌體并終止感染所需的gRNA。

Marraffini說，“這有點(diǎn)像疫苗接種。限制性酶切割噬菌體的小片段DNA，然后CRISPR-Cas系統(tǒng)將利用這些小片段來啟動(dòng)適應(yīng)性反應(yīng)?！?/p>

這些發(fā)現(xiàn)可能不僅幫助我們了解金黃色葡萄球菌如何抵御噬菌體；它們也有可能使我們更好地抵御金黃色葡萄球菌---一種因能夠?qū)?a >抗生素產(chǎn)生抗性而臭名昭著的細(xì)菌物種。去年，Marraffini團(tuán)隊(duì)已發(fā)現(xiàn)，該細(xì)菌不僅利用其CRISPR-Cas系統(tǒng)來抵御噬菌體，而且還產(chǎn)生多藥耐藥性。對(duì)該系統(tǒng)的更好理解有朝一日可以讓科學(xué)家們用藥物來操縱它，以對(duì)抗對(duì)其他治療沒有反應(yīng)的金黃色葡萄球菌感染。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Pascal Maguin et al. Cleavage of viral DNA by restriction endonucleases stimulates the type II CRISPR-Cas immune response. Molecular Cell, 2022, doi:10.1016/j.molcel.2022.01.012.