细菌强大的抗病毒免疫系统——CRISPR-Cas系统

2024年8月，顶级学术期刊《Science》发表一篇题为“De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase”的文章，主要说明了细菌可以在基因组外通过非编码RNA从头生成新基因，产生一个串联体cDNA，该cDNA在病毒感染时变成双链。这种DNA产物的表达导致有效的细胞生长停滞，从而限制病毒感染。

细菌抵抗病毒感染的方式很多，被大家熟知的CRISPR-Cas(Clustered Regularly Interspaced Short Palinmic Repeats-Cas)就是其中之一，CRISPR-Cas是许多种古细菌和细菌中形成自然适应性免疫反应的一部分，通过切割核酸来抵御外来噬菌体感染，在抗病毒防御系统中发挥关键作用。目前已成为下一代病原体诊断、基因编辑、药物发现和治疗的有有利工具。

CRISPR-Cas简介

CRISPR-Cas系统通过直接靶向病毒DNA或RNA来消除病毒感染。细菌基因组由具有CRISPR阵列的CRISPR基因座组成。该序列由从入侵的噬菌体或病毒遗传物质中获得的独特间隔序列插入的回文重复序列形成。这些间隔序列为遗传记忆提供抗性，防止宿主被含有相同序列的病毒感染。CRISPR阵列的两侧是一个前导序列和一个由一组Cas蛋白编码基因组成的操纵子。该基因编码的蛋白均可与CRISPR序列区域共同发生作用，在抵抗外来感染过程中至关重要。在目前已经发现的Cas蛋白群中，Cas1和Cas2普遍存在，存在于所有类型的CRISPR -Cas系统中。

CRISPR-Cas

CRISPR -Cas系统分为两大类，并分为六种不同的型(I-VI)。总的来说CRISPR-Cas系统介导的针对外源遗传物质的适应性免疫反应主要经历三个阶段(图1)：

1. 适应/间隔物获取阶段：细菌识别外源病毒的核苷酸保守序列的短片段，然后被核酸酶复合物Cas1-Cas2切割并获取，并将其整合到CRISPR位点前导序列的末端。

2. 前体crRNA的表达阶段：CRISPR基因座被转录形成pre-crRNA，然后由Cas蛋白对其进行加工，将其转化为完全成熟的crRNA。

3. 干扰阶段：成熟的crRNA结合到一个多蛋白加工复合体上形成蛋白效应复合物，crRNA识别入侵病毒遗传物质的互补序列并与之配对，随后被Cas蛋白切割。

图1 CRISPR -Cas适应性免疫反应途径^[2]

　 随着细菌CRISPR-Cas系统机制的阐明，各种基于CRISPR的基因组编辑及合成生物学技术也取得快速发展，例如基于CRISPR-Cas系统设计的益生菌已逐步被开发用于微生物药物。然而，目前工程益生菌临床应用的一个障碍是安全性，例如参与基因编辑的功能性蛋白的免疫原性以及先前存在的针对CRISPR成分的抗体可能导致炎症等。因此调控CRISPR-Cas系统进行基因操作的活性，无疑是保证工程益生菌临床治疗安全性的关键。

参考文献：

[1]Tang S, Conte V, Zhang DJ, Žedaveinytė R, Lampe GD, Wiegand T, Tang LC, Wang M, Walker MWG, George JT, Berchowitz LE, Jovanovic M, Sternberg SH. De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase. Science. 2024. 8: eadq0876. doi: 10.1126/science.adq0876.

[2]Rajan A, Shrivastava S, Janhawi, Kumar A, Singh AK, Arora PK. CRISPR-Cas system: from diagnostic tool to potential antiviral treatment. Appl Microbiol Biotechnol. 2022. 106(18):5863-5877. doi: 10.1007/s00253-022-12135-2.