CRISPR的諾獎發早了？細菌的另一種防禦系統，也能基因編輯

2020-11-15 生物世界

撰文｜nagashi


2020年10月7日，2020年諾貝爾化學獎揭曉，由兩位女科學家——Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna獲得，以表彰她們「開發出一種基因組編輯方法」，即CRISPR/Cas9基因編輯技術。


基於這項由細菌/古菌的防禦系統改造而來的技術，研究人員能以極高精度改變動物、植物和微生物的DNA，並有望更改某些生物的生命周期。然而，值得注意的是，自然界中潛在的基因編輯工具並不止於CRISPR，還有更多的工具仍有待人類開發！

2020年11月5日，以色列魏茨曼科學研究所的研究人員在國際頂尖學術期刊 Cell 上發表了題為：Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense 的研究論文。

這項研究發現並描述了一種特殊的細菌保護系統——反轉錄子（retron），它可以通過觸發被感染的細菌進行自我毀滅，從而使得噬菌體無法複製並傳播給其他細菌。同時，這也是首次具體確定了反轉錄子（retron）的自然功能，並有望將其開發為精確、高效的基因組編輯工具。


反轉錄子（retron）是細菌的遺傳元件，由逆轉錄酶（RT）和非編碼RNA（ncRNA）組成。逆轉錄酶（RT）以非編碼RNA（ncRNA）為模板，生成一個嵌合的RNA/DNA分子，其中RNA和DNA組分共價連接。值得一提的是，雖然反轉錄子在30年前就被發現了，但它們的許多功能仍然未知。

實際上，就像CRISPR一樣，反轉錄子也是細菌免疫系統的一部分——保護細菌免受一種被稱作「噬菌體」的病毒的攻擊。

近年來，研究人員一直在改造反轉錄子，並試圖將這種由DNA、RNA和蛋白質組成的神秘複合物轉化為潛在的、可以用來改變單細胞生物基因組的新型基因編輯工具。

反轉錄子的組成

在這項研究中，研究團隊首次具體證實了反轉錄子作為抗噬菌體防禦系統的功能。研究人員檢查了多個反轉錄子系統，並發現它們可以通過誘發被感染細菌自我毀滅，從而提供一種針對廣泛噬菌體的防禦機制。

研究人員聚焦於反轉錄子 Ec48——這是一個在細菌中具有中心抗噬菌體功能的複合體，並發現了它可以保護同源重組蛋白RecBCD的證據。噬菌體蛋白對RecBCD的抑制激活了反轉錄子，導致流產感染和細胞死亡。

簡而言之，如果細菌細胞壁等構造是第一道防線，那麼反轉錄子 Ec48 則形成了第二道防線。當第一道防線崩潰時，則會觸發第二道防線。

反轉錄子保護細菌免受噬菌體侵害

更重要的是，對反轉錄子自然功能的新理解可以促進它們投入新的應用。對此，本研究的通訊作者Rotem Sorek表示：「反轉錄子將會是精確、高效的基因組編輯工具，但現在它們還無法與CRISPR匹敵，部分原因是這項技術尚未在哺乳動物細胞中發揮作用。」

那麼，反轉錄子又是如何被發現並被在基因編輯領域寄予厚望呢？

上世紀80年代，研究土壤細菌的研究人員困惑地發現，許多單鏈DNA短序列散布在細菌的細胞質中。緊接著，研究人員發現每一個DNA片段都會與帶有互補鹼基序列的RNA相連，這使得他們意識到一種叫做逆轉錄酶的酶從附著的RNA中合成了DNA，並由此形成了一個由RNA、DNA和酶組成的複合體。

隨後科學家們發現這一複合體即是反轉錄子（retron），且實際上是一種新的、阻止噬菌體感染的細菌防禦系統。

反轉錄子實際上是一種新的、阻止噬菌體感染的細菌防禦系統

值得注意的是，CRISPR靶向性很強，但到目前為止，它還不太擅長在目標DNA中引入新編碼。與之相對，反轉錄子可以通過逆轉錄酶製造大量靶標序列的副本，這些副本可以被有效地拼接到宿主基因組中。

因此，如果能將反轉錄子與CRISPR整合在一起，那麼或許能開發出一種全新的、功能更強大的基因編輯工具。

實際上，早在2018年，史丹福大學的 Hunter Fraser 等人就推出了一款基於反轉錄子的鹼基編輯器，名為CRISPEY。

CRISPEY原理並不複雜，研究人員首先製造了與酵母基因匹配但帶有一個點突變的RNA，然後通過CRISPR-Cas系統靶向該酵母基因。一旦Cas9切斷DNA，細胞的DNA修復機制就會用反轉錄子的逆轉錄酶產生的DNA取代原來的酵母基因，從而引入新的突變。

基於此，該研究團隊通過CRISPEY高效構建了成千上萬的酵母突變體，每個突變體只有一個鹼基不同。這使得研究人員迅速了解哪些鹼基是酵母代謝成長所必需的。

Retron + CRISPR = CRISPEY

無獨有偶，由哈佛大學 George Church 和麻省理工學院 Timothy Lu 領導的另外兩個研究團隊也在細菌中做出了類似的研究，並發表在預印本平臺bioRxiv上。

總而言之，這項研究首次具體確定了反轉錄子（retron）的自然功能——細菌用來抵禦噬菌體的防禦系統，並可能應用於開發新型基因編輯工具。

正如合成生物學家 Anna Simon 所說：「反轉錄子（retron）可能會像CRISPR一樣具有革命性，但在我們對它有更多了解之前，一切還很難說。」


參考資料：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065

https://www.sciencemag.org/news/2020/11/microbes-mystery-dna-helps-defeat-viruses-and-has-genome-editing-potential

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