让细菌防御成为焦点

通过拍摄一系列接近原子分辨率的快照，康奈尔大学和哈佛医学院的科学家一步步观察细菌如何抵御外来入侵者，例如噬菌体，一种感染细菌的病毒。

他们观察到的过程使用了CRISPR(以规则间隔聚集的短回文重复序列)位点，其中细胞的DNA可以被切割以插入额外的DNA。

生物学家使用CRISPR进行基因工程实验，但细胞可能已经将这种机制进化成了防御系统的一部分。细胞的这些位置被用来存储入侵者的分子记忆，以便在下一次遭遇中有选择地根除它们。

“除了我们的系统在蛋白质识别水平上工作，蠕虫的免疫系统和我们的一样有效，而CRISPR在核酸识别水平上工作，”分子生物学和遗传学教授艾龙柯解释说。

在第一次相遇时，细菌在CRISPR将一些入侵者的DNA插入到自己的基因组中。必要时，储存DNA的RNA转录物(称为指导RNA)可以与其他蛋白质组装形成一种称为Cascade的复合物(用于抗病毒防御的CRISPR相关复合物)。该系统如此高效和准确，以至于研究人员已经想到了将其重新用于基因组编辑应用的方法，以及引入DNA精确位置的变化。“正如我们所说的，一场CRISPR革命已经席卷了生物学，”柯说。

在以前的研究中，Ke已经定义了参与这一过程的蛋白质-RNA复合物的功能，并使用康奈尔高能同步加速器光源(CHESS)的X射线晶体学设备确定了它们的结构。柯实验室博士后研究员肖一步一步地完成了整个免疫过程。“下一步是捕捉这些步骤的结构快照，并制作一部关于正在发生的事情的高清电影，”柯说。

与哈佛医学院细胞生物学助理教授廖茂富合作，他是利用低温电子显微镜确定冰层中冻结的大分子的高分辨率结构的专家。代表不同阶段免疫反应的样品在Ke的嗜热双歧杆菌(一种用于发酵的细菌)的实验室中制备。廖和他的博士后研究员将这些样本冷冻起来，并在每一步拍下高分辨率的快照。这项研究专注于CRISPR相关防御的一个特定版本，称为IE。

“我们大致知道它是如何工作的，但没有结构，我们也没有细节，”柯说。“一图胜千言。”

“科学家们假设这些状态存在，但他们缺乏证明它们存在的眼光，”罗说。“现在，看到并真正相信。”

该研究成果发表在6月29日的《细胞》杂志上，提供的结构数据可以提高生物医学中CRISPR运算的效率和精度。这种防御机制的各个方面——特别是它如何搜索其DNA靶——仍不清楚，它引发了人们对意外脱靶效应和使用CRISPR-Cas机制治疗人类疾病的安全性的担忧。

“为了解决特异性问题，我们需要知道CRISPR复合物形成的每一步，”廖说。

“为了将CRISPR应用于人类医学，我们必须确保该系统不会意外地针对错误的基因，”柯说。“我们的论点是，I型系统可能比CRISPR-Cas9更准确，因为它在行动前检查更长的序列，系统将目标搜索和降级分为两步，中间有内置的安全功能。”

到目前为止，CRISPR type I为精确的基因编辑提供了有限的实用性，但它可以作为一种工具来对抗抗生素耐药的细菌菌株。

萧克和萧克在同一期《细胞》杂志上合著了另一篇论文，并与德克萨斯大学奥斯汀分校生物科学助理教授伊利亚芬克尔斯坦一起描述了级联搜索如何在单分子水平上寻找目标。

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