使细菌的防御成为焦点

通过拍摄一系列近原子分辨率的快照,康奈尔大学和哈佛医学院的科学家们一步一步地观察了细菌如何抵御外来入侵者,如噬菌体,一种感染细菌的病毒。

他们观察到的过程使用CRISPR(聚集的规则间隔的短回文重复序列)位点,其中可以剪切细胞的DNA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演变为防御系统的一部分。细胞使用这些位置来存储入侵者的分子记忆,以便在下次遭遇时可以选择性地根除它们。

“除了我们的系统在蛋白质识别水平上起作用外,虫子的免疫系统与我们的效率一样有效,而CRISPR在核酸识别水平上起作用,”分子生物学和遗传学教授Ailong Ke解释道。

在第一次遇到时,细菌将一些入侵者的DNA插入到CRISPR位置的自己的基因组中。需要时,存储的DNA的RNA转录物(称为指导RNA)可以与其他蛋白质组装成称为Cascade(CRISPR相关复合物用于抗病毒防御)的复合物。该系统非常高效和精确,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,以及在DNA的精确位置引入变化。“在我们发言时,一场CRISPR革命席卷了生物学,”柯说。

在之前的研究中,Ke已经定义了该过程中涉及的蛋白质-RNA复合物的功能,并使用康奈尔高能同步加速器源(CHESS)的X射线晶体学设备来确定它们的结构。Ke实验室的博士后研究员Yibei Xiao一步一步地制定了整个免疫过程。“下一步是捕捉这些步骤的结构快照,制作一部关于正在发生的事情的高清电影,”柯说。

柯与哈佛医学院细胞生物学助理教授廖茂夫合作,他是一位使用低温电子显微镜确定在冰层中冷冻的大分子高分辨率结构的专家。使用用于发酵的细菌Thermobifida fusca,Ke的实验室制备了代表免疫反应的不同阶段的样品。廖和他的博士后研究员罗敏冻结了这些样本,并在每一步拍摄了高分辨率的快照。该研究的重点是特定版本的CRISPR相关防御,称为IE型。

“我们大致知道它的工作原理,但没有结构,我们没有细节,”柯说。“一张图片胜过千言万语。”

“科学家们假设这些状态存在,但他们缺乏视觉证明它们的存在,”罗说。“现在,看到真的相信。”

该研究结果于6月29日发表在Cell杂志上,提供的结构数据可以提高生物医学CRISPR操作的效率和准确性。这种防御机制的方面 - 特别是它如何搜索其DNA靶标 - 尚不清楚,并且引起了对非预期的脱靶效应以及使用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,我们需要了解CRISPR复合物形成的每一步,”廖说。

“为了在人类医学中应用CRISPR,我们必须确保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,因为它在行动之前检查更长的序列,系统将目标搜索和降级分为两个步骤,其间具有内置的安全功能。 ”

到目前为止,I型CRISPR为精确基因编辑提供了有限的实用性,但它可以用作对抗抗生素抗性细菌菌株的工具。

Ke和Xiao与同一期Cell杂志合着了另一篇论文,与德克萨斯大学奥斯汀分校生物科学助理教授Ilya Finkelstein一起描述了Cascade如何在单分子水平上搜索目标。