研究人员发现神秘的CRISPR开关机制,或将终结技术应用风险 I 医麦黑科技

  同样也有部分科学家担心,被誉为“改写生命神笔”的突破技术CRISPR/Cas,因其成本低廉且广泛可用,很多业余爱好者在家或者学校实验室就可以进行实验,但是极有可能会由于操作失误泄露出细菌或其他生物菌株,从而引发不可预料的后果,或是被用作制造生物武器。这一切都深深影响着该技术在应用领域的安全性。

  最近来自美国国家过敏症与传染病研究所、斯克里普斯研究所、蒙大拿州立大学、大学分校和大学的研究人员首次解析了病毒的抗CRISPR蛋白和细菌的CRISPR复合物结合的结构,准确地了病毒如何让细菌的防御系统完全崩溃,他们发现病毒体内的抗CRISPR蛋白可以把细菌的CRISPR系统“器”给遮挡住,然后细菌的防御系统就失灵了,无法识别和病毒基因组。

  相关研究结果发表在2017年3月的《Cell》期刊上,论文通信作者为来自斯克里普斯研究所的Gabriel C. Lander和来自蒙大拿州立大学的Blake Wiedenheft。其中来自蒙大拿州立大学的Joshua Carter也是这篇文章的主要作者。

  千万年来,细菌与感染细菌的病毒(噬菌体)之间的之战一直在持续,从未消停过。细菌的防御系统也因此得到进化,为了避免病毒感染,细菌体内产生了抵抗病毒感染的系统。高等动物体内有复杂的免疫系统来负责这事儿,而细菌体内也有一套简单有效的防御系统—那就是近年来生物学家们竞相追捧的基因魔剪CRISPR/Cas。CRISPR/Cas系统是细菌自己防御噬菌体的一种最常见方法,它在许多细菌体内作为适应性免疫系统发挥重要作用。

  难道细菌拥有CRISPR/Cas王牌防御系统难道就高枕无忧了吗?其实不然,在自然界中一直都遵循优胜劣汰、适者的原则。细菌的防御系统进化了,那噬菌体就止步不前吗,这并不科学,上有政策,下有对策。噬菌体也针对这些系统进化出了新的拮抗物,科学家们发现其可以利用抗CRISPR蛋白让细菌体内的CRISPR系统瘫痪。

  在这项研究中,科学家们使用被称为冷冻电子显微镜的高分辨率成像技术,发现了CRISPR和抗CRISPR蛋白的三个作用机制。

  复合物中的蛋白缠绕在细菌的crRNA周围,让这种缠绕RNA的特定部分打开。这些特定片段的RNA通过扫描病毒DNA,就可以寻找到它们识别的基因序列。这个系统可以快速读取大量DNA并准确集中目标,如果CRISPR复合物识别病毒的DNA目标,就会招募其它病毒的基因组。

  一种抗CRISPR蛋白(AcrF1)的结合覆盖住crRNA的片段,从而阻碍了其与DNA结合

  之后,研究人员分析了病毒抗CRISPR蛋白如何让CRISPR系统无法工作,他们发现一种抗CRISPR蛋白覆盖住了crRNA的这个片段,从而逃脱了细菌CRISPR系统的范围。这些抗CRISPR蛋白通过靶向CRISPR复合物的关键部分,细菌识别病毒的DNA,它们能靶向CRISPR复合物的关键部分。

  相关研究人员表示,如果细菌的CRISPR系统识别DNA的机制没有任何变化,将无法逃避这些抗CRISPR蛋白的。

  另一个抗CRISPR蛋白AcrF2通过模拟B型DNA蛋白从而阻碍复合体与DNA的结构发挥作用

  研究还发现另一个抗CRISPR蛋白采用的是不同的策略。基于其结合和负电荷,研究人员认为这个抗CRISPR蛋白是在模仿DNA,CRISPR复合物与其结合,而不是和入侵的病毒DNA结合。

  其实,早在几年前科学家们就发现了抗CRISPR蛋白,但是之前我们只知道它是如何发挥作用阻断细菌的防御系统的。

  随着CRISPR技术在基础研究和临床上有了越来越多的应用,控制好这种技术也变得越来越紧迫。研究人员认为这种对抗CRISPR蛋白的新认识对开发出更加高效的基因编辑工具是有很大意义的。抗CRISPR蛋白可能能够被用于CRISPR系统之中来迅速阻断基因编辑,或者通过降解抗CRISPR蛋白来触发基因编辑系统,也可能作为CRISPR系统的一种启动/关闭开关发挥作用。

  换言之,如果该项技术不幸落入到手中,这个抗CRISPR蛋白质还可以作为“故障装置”,那么还需要担心CRISPR技术招致的生物吗?(eMedClub 责编/刀刀)

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