JRSI：利用CRISPR-噬菌體共進(jìn)化解釋混亂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2017-02-23 09:49:00【大中小】

一項(xiàng)新的研究提示著計(jì)劃利用CRISPR基因組編輯系統(tǒng)產(chǎn)生定制的腸道細(xì)菌的科學(xué)家們可能需要解釋這種微生物免疫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)化。

CRISPR基因組編輯系統(tǒng)產(chǎn)生定制的腸道細(xì)菌

CRISPR是一種獲得性免疫系統(tǒng)。它允許細(xì)菌和其他的單細(xì)胞生物儲(chǔ)存DNA片段，從而保護(hù)它們自己免受被稱(chēng)作噬菌體的病毒感染。這種系統(tǒng)允許原核生物細(xì)胞“記住”它之前遭遇到的噬菌體，并對(duì)它產(chǎn)生免疫防御。

從2012年開(kāi)始，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們能夠利用CRISPR蛋白準(zhǔn)確地編輯細(xì)菌、動(dòng)物和人類(lèi)的基因組。這一發(fā)現(xiàn)被Science期刊評(píng)為2015年的年度突破，可能最終允許科學(xué)家們對(duì)遺傳病患者的細(xì)胞進(jìn)行重編程。

盡管利用CRISPR編輯基因組取得快速的進(jìn)展，但是科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)CRISPR免疫防御系統(tǒng)在細(xì)菌和其他的單細(xì)胞原核生物中如何進(jìn)化提出很多問(wèn)題。美國(guó)萊斯大學(xué)物理學(xué)家、生物工程師Michael Deem在2010年就被CRISPR所吸引，設(shè)計(jì)出多種計(jì)算機(jī)模型來(lái)探究CRISPR的內(nèi)部工作機(jī)制。

在這項(xiàng)新的研究中，Deem和前研究生Pu Han發(fā)現(xiàn)噬菌體和細(xì)菌之間存在微妙的相互作用。根據(jù)這兩者彼此多久相遇和其中的一方如何快速地對(duì)另一方產(chǎn)生防御力，這種相互作用能夠發(fā)生變化。這項(xiàng)研究記錄了細(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。相關(guān)研究結(jié)果于2017年2月15日發(fā)表在Journal of the Royal Society Interface期刊上，論文標(biāo)題為“Non-classical phase diagram for virus bacterial coevolution mediated by clustered regularly interspaced short palindromic repeats”。

Deem說(shuō)，“噬菌體和細(xì)菌之間共同進(jìn)化。細(xì)菌將來(lái)自噬菌體的DNA整合到它們的基因組中，這允許細(xì)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(xì)胞生物的噬菌體持續(xù)地發(fā)生進(jìn)化。Deem說(shuō)，它們發(fā)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(shí)別和抵抗它們的一個(gè)變量。CRISPR持續(xù)地添加新的DNA片段，拋棄舊的DNA片段。在利用CRISPR建模時(shí)，另一種必需考慮在內(nèi)的因素是CRISPR僅有有限的空間來(lái)儲(chǔ)存噬菌體DNA。還有一種變量是相遇率（encounter rate），即細(xì)菌和噬菌體多久相接觸。

Deem說(shuō)，“如果我們利用一種簡(jiǎn)單的將這些參數(shù)考慮進(jìn)去的模型獲得結(jié)果，那么我們將會(huì)看到這些結(jié)果劃分為三種狀態(tài)：第一種狀態(tài)，CRISPR獲勝，促進(jìn)噬菌體滅絕；第二種狀態(tài)，噬菌體勝出，殺死細(xì)菌；第三種狀態(tài)就是這兩者共存。”

物理學(xué)家經(jīng)常利用這些狀態(tài)圖探究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。通過(guò)改變相遇率和突變率，科學(xué)家們能夠研究特定的組合如何促進(jìn)這種系統(tǒng)從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)。

在這項(xiàng)新的研究中，Deem和Han（如今是谷歌公司的一名軟件工程師）發(fā)現(xiàn)相遇率和突變率的某些組合產(chǎn)生一種意料之外的結(jié)果，即一種五狀態(tài)圖：基于CRISPR的添加-拋棄率和細(xì)菌-噬菌體的相遇率之間的復(fù)雜相互作用，在兩種狀態(tài)中，噬菌體茁壯成長(zhǎng)；在另外兩種狀態(tài)中，噬菌體幾乎被消滅。

Deem說(shuō)，“一般而言，我們可能期待在較高的相遇率下，CRISPR免疫系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致噬菌體滅絕，這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)足夠頻繁地遇到這些噬菌體以至于它當(dāng)前含有它們的DNA拷貝。在我們的狀態(tài)圖中，我們將這種情形稱(chēng)為第四種狀態(tài)。我們的首個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是盡管在這種情形下，滅絕是可能發(fā)生的，但是總是存在一種可能：我們計(jì)算出這些噬菌體將會(huì)逃脫而不會(huì)滅絕。這種自然變異是令人關(guān)注的。”

“第二種發(fā)現(xiàn)是隨著我們降低噬菌體與細(xì)菌之間的相遇率，如今每個(gè)單位時(shí)間里存在更少的噬菌體感染細(xì)菌，這些細(xì)菌獲得來(lái)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(xì)菌共存。我們將這種情形稱(chēng)為第三種狀態(tài)。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(yù)料中的，也是非常合情合理的。”

“令人吃驚的是，我們發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步降低這種相遇率，也就是細(xì)菌如今有更少的幾率將來(lái)自噬菌體的DNA整合到CRISPR中，這會(huì)導(dǎo)致另一種狀態(tài)出現(xiàn)：噬菌體陷入滅絕的境地。這就是第二種狀態(tài)。人們并沒(méi)有預(yù)料到這一點(diǎn)。”

在研究這種結(jié)果時(shí)，Deem和Han發(fā)現(xiàn)第二種滅絕狀態(tài)發(fā)生的原因在于噬菌體感染率和細(xì)菌生長(zhǎng)率都是相同的，對(duì)這些噬菌體產(chǎn)生免疫力的任何一種細(xì)菌菌株將足夠快地增殖以至于它們?cè)谂c所有其他的細(xì)菌和噬菌體的競(jìng)爭(zhēng)中勝出。在這種滅絕狀態(tài)下，CRISPR中的單個(gè)病毒DNA拷貝允許這種細(xì)菌菌株戰(zhàn)勝噬菌體。這就不同于第四種狀態(tài)：在較高的相遇率下，CRISPR中的很多個(gè)病毒DNA拷貝允許多種細(xì)菌菌株戰(zhàn)勝噬菌體。

Deem說(shuō)，這些結(jié)果有助解釋之前的讓CRISPR研究界迷惑不已的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

Deem說(shuō)，“針對(duì)CRISPR是否能夠控制噬菌體和在什么情形下會(huì)導(dǎo)致共存出現(xiàn)，人們存在一些爭(zhēng)議。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于不同的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生來(lái)自第二種狀態(tài)、第三種狀態(tài)和第四種狀態(tài)的結(jié)果。我們的結(jié)果闡明了這些狀態(tài)的范圍，并且證實(shí)這種范圍至少是部分上測(cè)量的。”

Deem說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn)僅適用于CRISPR在細(xì)菌和原核系統(tǒng)中的使用。當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D利用CRISPR基因編輯工具對(duì)這些有機(jī)體或影響它們的噬菌體進(jìn)行修飾時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮這種動(dòng)態(tài)進(jìn)化。

Deem說(shuō)，“比如，人們最終將開(kāi)始編輯微生物組，即讓人體保持健康的有益腸道細(xì)菌和噬菌體群體。若要通過(guò)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(kāi)展大量的研究。針對(duì)那些對(duì)噬菌體-微生物組相互作用進(jìn)行編輯的人而言，考慮這些微妙的共進(jìn)化將是比較重要的。”

原文來(lái)源

Non-classical phase diagram for virus bacterial coevolution mediated by clustered regularly interspaced short palindromic repeats.