JRSI：利用CRISPR-噬菌體共進化解釋混亂的實驗結果
一項新的研究提示著計劃利用CRISPR基因組編輯系統產生定制的腸道細菌的科學家們可能需要解釋這種微生物免疫系統的動態進化。
CRISPR基因組編輯系統產生定制的腸道細菌
CRISPR是一種獲得性免疫系統。它允許細菌和其他的單細胞生物儲存DNA片段，從而保護它們自己免受被稱作噬菌體的病毒感染。這種系統允許原核生物細胞“記住”它之前遭遇到的噬菌體，并對它產生免疫防御。
從2012年開始，科學家們發現他們能夠利用CRISPR蛋白準確地編輯細菌、動物和人類的基因組。這一發現被Science期刊評為2015年的年度突破，可能最終允許科學家們對遺傳病患者的細胞進行重編程。
盡管利用CRISPR編輯基因組取得快速的進展，但是科學家們仍然對CRISPR免疫防御系統在細菌和其他的單細胞原核生物中如何進化提出很多問題。美國萊斯大學物理學家、生物工程師Michael Deem在2010年就被CRISPR所吸引，設計出多種計算機模型來探究CRISPR的內部工作機制。
在這項新的研究中，Deem和前研究生Pu Han發現噬菌體和細菌之間存在微妙的相互作用。根據這兩者彼此多久相遇和其中的一方如何快速地對另一方產生防御力，這種相互作用能夠發生變化。這項研究記錄了細菌和噬菌體之間存在的一種奇怪的存活-滅絕模式，這有助解釋貌似相互沖突的讓CRISPR研究人員頭疼不已的實驗結果。相關研究結果于2017年2月15日發表在Journal of the Royal Society Interface期刊上，論文標題為“Non-classical phase diagram for virus bacterial coevolution mediated by clustered regularly interspaced short palindromic repeats”。
Deem說，“噬菌體和細菌之間共同進化。細菌將來自噬菌體的DNA整合到它們的基因組中，這允許細菌或它們的后代免受這些噬菌體的感染。”
就像所有的生物一樣，僅攻擊單細胞生物的噬菌體持續地發生進化。Deem說，它們發生突變和改變它們的DNA序列的速率是能夠影響CRISPR如何好地識別和抵抗它們的一個變量。CRISPR持續地添加新的DNA片段，拋棄舊的DNA片段。在利用CRISPR建模時，另一種必需考慮在內的因素是CRISPR僅有有限的空間來儲存噬菌體DNA。還有一種變量是相遇率（encounter rate），即細菌和噬菌體多久相接觸。
Deem說，“如果我們利用一種簡單的將這些參數考慮進去的模型獲得結果，那么我們將會看到這些結果劃分為三種狀態：第一種狀態，CRISPR獲勝，促進噬菌體滅絕；第二種狀態，噬菌體勝出，殺死細菌；第三種狀態就是這兩者共存。”
物理學家經常利用這些狀態圖探究系統的動態變化。通過改變相遇率和突變率，科學家們能夠研究特定的組合如何促進這種系統從一種狀態切換到另一種狀態。
在這項新的研究中，Deem和Han（如今是谷歌公司的一名軟件工程師）發現相遇率和突變率的某些組合產生一種意料之外的結果，即一種五狀態圖：基于CRISPR的添加-拋棄率和細菌-噬菌體的相遇率之間的復雜相互作用，在兩種狀態中，噬菌體茁壯成長；在另外兩種狀態中，噬菌體幾乎被消滅。
Deem說，“一般而言，我們可能期待在較高的相遇率下，CRISPR免疫系統會導致噬菌體滅絕，這是因為該系統足夠頻繁地遇到這些噬菌體以至于它當前含有它們的DNA拷貝。在我們的狀態圖中，我們將這種情形稱為第四種狀態。我們的首個有趣的發現是盡管在這種情形下，滅絕是可能發生的，但是總是存在一種可能：我們計算出這些噬菌體將會逃脫而不會滅絕。這種自然變異是令人關注的。”
“第二種發現是隨著我們降低噬菌體與細菌之間的相遇率，如今每個單位時間里存在更少的噬菌體感染細菌，這些細菌獲得來自噬菌體的DNA的幾率也隨之下降了，因而如今這些噬菌體能夠與這些細菌共存。我們將這種情形稱為第三種狀態。因此，噬菌體從滅絕切換到不滅絕，也就是如今，這兩者共存。這是預料中的，也是非常合情合理的。”
“令人吃驚的是，我們發現進一步降低這種相遇率，也就是細菌如今有更少的幾率將來自噬菌體的DNA整合到CRISPR中，這會導致另一種狀態出現：噬菌體陷入滅絕的境地。這就是第二種狀態。人們并沒有預料到這一點。”
在研究這種結果時，Deem和Han發現第二種滅絕狀態發生的原因在于噬菌體感染率和細菌生長率都是相同的，對這些噬菌體產生免疫力的任何一種細菌菌株將足夠快地增殖以至于它們在與所有其他的細菌和噬菌體的競爭中勝出。在這種滅絕狀態下，CRISPR中的單個病毒DNA拷貝允許這種細菌菌株戰勝噬菌體。這就不同于第四種狀態：在較高的相遇率下，CRISPR中的很多個病毒DNA拷貝允許多種細菌菌株戰勝噬菌體。
Deem說，這些結果有助解釋之前的讓CRISPR研究界迷惑不已的實驗結果。
Deem說，“針對CRISPR是否能夠控制噬菌體和在什么情形下會導致共存出現，人們存在一些爭議。這種現象出現的原因在于不同的實驗產生來自第二種狀態、第三種狀態和第四種狀態的結果。我們的結果闡明了這些狀態的范圍，并且證實這種范圍至少是部分上測量的。”
Deem說，這些發現僅適用于CRISPR在細菌和原核系統中的使用。當科學家們試圖利用CRISPR基因編輯工具對這些有機體或影響它們的噬菌體進行修飾時，就應當考慮這種動態進化。
Deem說，“比如，人們最終將開始編輯微生物組，即讓人體保持健康的有益腸道細菌和噬菌體群體。若要通過編輯微生物組讓人們變得更加健康、控制肥胖或情緒等，如今仍需開展大量的研究。針對那些對噬菌體-微生物組相互作用進行編輯的人而言，考慮這些微妙的共進化將是比較重要的。”
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