CRISPR 以意想不到的方式帮助细菌抵御病毒侵扰

Csx28 蛋白与 CRISPR 合作扰乱细胞膜，使病毒 DNA 难以在细菌内复制。（VanderWal 等人/Science/2023）

近年来，首字母缩略词 CRISPR 已成为编辑 DNA 的同义词，作为识别遗传密码然后以惊人的精度切割它们的一种手段，在分子遗传学家的工具箱中占据了中心位置。

CRISPR/Cas（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated endonuclease）系统在其最初作为细菌免疫手段的功能中，寻找入侵病毒的已知基因并使其功能失调。

美国罗切斯特大学和伊萨卡康奈尔大学的科学家们发现，著名的基因编辑工具在细菌中的作用不仅仅是发现 DNA 以进行切割；它还与其他蛋白质协调，以加强对入侵病毒的防御。

激活称为 Csx28 的漏斗状蛋白质会扰乱细菌膜的渗透性，使入侵的病毒 DNA 难以劫持细胞的机器并进行复制。

该研究的合作者罗切斯特大学生物化学家 Mark Dumont 说，这项发表在《科学》杂志上的发现“出乎意料，并提出了各种新问题”。

“虽然没有直接的医学相关性或应用，但由此产生的想法可能非常强大，”杜蒙说。

该研究涉及一系列实验，其中大肠杆菌感染了一种病毒，这种病毒会感染细菌或噬菌体，称为肠杆菌噬菌体 λ。

这种噬菌体像登月舱一样附着在细菌细胞表面，并将其 DNA 注入细胞以创建自身的副本。

大肠杆菌进行反击，使用 CRISPR 通过匹配先前遇到的噬菌体的重复 DNA 片段来识别威胁，然后使用一种称为 Cas13b 的酶将入侵的 DNA 剪成碎片。

噬菌体感染细菌，劫持细胞机器来复制自身。（Guido4/维基百科）

研究人员发现，当 Csx28 存在于细菌内部时，病毒复制缓慢。

这种蛋白质只与 Cas13b 结合使用，这表明两者相互协调以解除病毒的武装。

当 Cas13b 和 Csx28 同时存在时，释放传染性病毒颗粒的受感染细菌的比例从大约 19% 下降到大约 3%，并且每毫升的噬菌体数量显着减少。换句话说，该病毒无法像往常一样进行大量复制。

当同时存在 Cas13b 和 Csx28 时（浅紫色线），病毒数量的增加最慢。PFU 代表斑块形成单位，是病毒载量的量度。（VanderWal 等人，科学，2023 年）研究人员使用一种称为低温电子显微镜的技术检查了 Csx28 蛋白的结构，发现它类似于一个中心有孔的漏斗。

这增加了蛋白质形成膜孔并破坏细胞新陈代谢使其成为病毒不适宜生存环境的可能性。

研究人员使用一种技术验证了这一假设，该技术使细胞在失去膜电位后发出荧光，这是一种由细胞内外离子浓度差异引起的小电荷。

他们发现这两种蛋白质一起导致细胞膜去极化，送出大量带电原子，从根本上改变了细胞的内部环境。90 分钟后，40% 的细菌群以这种方式去极化。

“当你阅读这篇论文时，你会想自己……’什么？’这是一种非常奇怪的机制，”罗彻斯特大学分子生物学家 John Lueck 说，他没有参与这项研究。

“令人印象深刻的是，该团队发现了这种与我们之前见过的任何其他东西都不相似的孔状蛋白质，”他说。“这很令人兴奋，因为在科学中，当你触及表面时，你常常会发现它背后有一个全新的世界。”

这篇论文发表在《科学》杂志上。