CRISPR因其快速而準(zhǔn)確地編輯基因的能力而在科學(xué)界聲名鵲起。但是，就本質(zhì)而言，CRISPR系統(tǒng)是免疫系統(tǒng)，通過靶向和破壞病毒的DNA和RNA來幫助細(xì)菌保護(hù)自己免受病毒侵害。在一項(xiàng)新的研究中，來自美國羅切斯特大學(xué)和康奈爾大學(xué)的研究人員揭示了這樣的一種系統(tǒng)中一種以前未被認(rèn)識到的參與者---一種增強(qiáng)抗病毒防御能力的膜蛋白，同時擴(kuò)大了我們對CRISPR復(fù)雜性的理解，并提出了更多與之相關(guān)的問題。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2023年4月28日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Csx28 is a membrane pore that enhances CRISPR-Cas13b–dependent antiphage defense”。

揭示有關(guān)CRISPR的新線索

CRISPR系統(tǒng)由兩種主要部分組成---針對特定病毒DNA或RNA序列的向?qū)NA（gRNA）和切割靶DNA或RNA以阻止病毒復(fù)制和傳播的Cas酶。在這項(xiàng)新的研究中，這些作者發(fā)現(xiàn)作為一種特定的Cas蛋白，Cas13b不僅能切割病毒RNA，還能與另一種蛋白（Csx28）溝通，以增強(qiáng)它的抗病毒防御能力。

這些作者發(fā)現(xiàn)Csx28蛋白形成了一種孔狀結(jié)構(gòu)（即它有一個大的孔）。當(dāng)他們用噬菌體（攻擊細(xì)菌的病毒）感染大腸桿菌，并部署CRISPR-Cas13系統(tǒng)來靶向和阻止感染時，他們發(fā)現(xiàn)Cas13向Csx28發(fā)出信號，從而影響膜的通透性。一旦發(fā)生這種情況，Csx28就會在受感染的細(xì)胞中造成破壞，擾亂膜電位，破壞代謝和阻礙能量產(chǎn)生。病毒不能在這種不友好的環(huán)境下復(fù)制，導(dǎo)致他們得出結(jié)論：Csx28增強(qiáng)了CRISPR-Cas13b的噬菌體防御。

論文通訊作者、羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)與生物物理學(xué)助理教授和羅切斯特大學(xué)RNA生物學(xué)中心成員Mitchell O'Connell博士說，“這一發(fā)現(xiàn)顛覆了CRISPR系統(tǒng)僅通過降解細(xì)胞中的RNA和DNA來進(jìn)行防御的觀點(diǎn)，真正擴(kuò)大了我們對CRISPR系統(tǒng)可能工作方式的看法。當(dāng)我們想到CRISPR時，我們認(rèn)為Cas9或Cas13等Cas蛋白是造成所有損害的大錘，但情況可能并非如此；我們發(fā)現(xiàn)Cas13和Csx28一起有效地消滅了病毒?！?/p>

圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.abm1184。

羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心藥理學(xué)與生理學(xué)助理教授John Lueck博士補(bǔ)充道，“當(dāng)你讀到這篇論文時，你會對自己說......'什么？這是一種如此奇怪的機(jī)制，并不是我所預(yù)測的細(xì)菌的工作方式’。令人印象深刻的是，該團(tuán)隊(duì)確定了這種具有孔狀結(jié)構(gòu)的蛋白，它與我們之前看到的任何其他東西都不相似，如今我們知道這種機(jī)制存在，人們將開始在其他系統(tǒng)中尋找它。這是令人興奮的，因?yàn)樵诳茖W(xué)中，當(dāng)你觸及表面時，你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)它背后有一個全新的世界。”

問題多于答案

通過使用高分辨率低溫電鏡對Csx28的結(jié)構(gòu)有了更多的了解，這些作者開始探索該蛋白的功能。問題比比皆是。如果目標(biāo)是保護(hù)，為什么細(xì)胞膜上形成有一個巨大的孔？他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cas13不在附近時，Csx28并不活躍。是什么讓它在防御中變得活躍？它在多長時間內(nèi)保持活躍，它讓什么東西通過細(xì)胞膜？了解該孔的開放和關(guān)閉背后的生物化學(xué)將闡明CRISPR-Cas13如何利用它作為其防御的一部分，并為研究其他CRISPR系統(tǒng)中的膜蛋白提供一個跳躍點(diǎn)。

羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心生物化學(xué)與生物物理學(xué)教授Mark Dumont博士指出，“這一發(fā)現(xiàn)是出乎意料的，并提出了關(guān)于細(xì)菌如何保護(hù)自己以及它們?nèi)绾卧诟腥局猩娴男聠栴}。這也是RNA生物學(xué)、CRISPR、結(jié)構(gòu)生物學(xué)和膜生物學(xué)之間一個非常有趣的接口。雖然沒有直接的醫(yī)學(xué)意義或應(yīng)用，但由此產(chǎn)生的想法可能是非常強(qiáng)大的?！?/p>

Lueck補(bǔ)充說，“一項(xiàng)研究有這么多發(fā)人深省的內(nèi)容，將幾個不同的領(lǐng)域結(jié)合在一起，這是非常罕見的。而且由于這些概念是全新的，未來的研究工作將不會被教條所累。任何時候人們都可以把新的、不受約束的想法帶到桌面上，這對科學(xué)來說都是有益的?！保?a >生物谷 Bioon.com）

參考資料：

Arica R. VanderWal et al. Csx28 is a membrane pore that enhances CRISPR-as13b-dependent antiphage defense. Science, 2023, doi:10.1126/science.abm1184.