Science:发现10种新型细菌免疫防御系统

直到十年前,科学家们还没有意识到细菌具有复杂的免疫系统,即能够跟上感染细菌的病毒(即噬菌体)进化速度的免疫系统。随着发现一种如今最为知名的被称作CRISPR的细菌免疫机制以后,情况发生了变化。科学家们已意识到CRISPR是一种天然的基因编辑器,而且它已在世界各地数以千计的实验室中引发生物学研究领域变革。如今,研究人员理解到大多数微生物具有复杂的免疫系统,而CRISPR仅是其中的一个组分;但是没有一种很好的方法来鉴定这些系统。

在一项大规模的系统性研究中,来自以色列魏茨曼科学研究所的Rotem Sorek教授和他的研究团队揭示出细菌存在10种之前未知的细菌免疫防御机制。Sorek说:“我们发现的这些系统不同于之前看到的。但是,我们认为在这些系统中,有一到两种系统可能有潜力扩大基因编辑工具箱,而其他的系统指向人体免疫系统的起源。”相关研究成果于2018年1月25日在线发表在Science期刊上,论文标题为“Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome”。

Sorek解释道,细菌并不能够仅依靠CRISPR来对付噬菌体。事实上,许多噬菌体都具有抑制CRISPR活性的“抗CRISPR”蛋白,这提示着其他的系统收拾残局。Sorek和他的团队通过构建出一种扫描所有细菌基因组---迄今为止大约有5万种基因组---的计算机程序来开始对这些系统的研究。他们开发的这些算法并不寻找具有事先确定的特征的序列,而是寻找参与免疫防御的基因的“统计学特征(statistical signature)”,比如,它们在“防御岛(defense islands)”---在那里,几个防御相关的基因被发现位于彼此附近---中的位置。随后,鉴于免疫系统基因很少单独地发挥作用(即便在细菌中,也是如此),这些研究人员开发出复杂的计算机分析方法,以便理解哪些基因联合起来并共同组成一种防御系统。

一旦他们将潜在的防御基因从几百万个减少到几百个时,这些研究人员就需要测试他们鉴定出的候选机制。他们不是尝试从数百种不同的细菌中分离出基因序列,而是寻求合成生物学的帮助:订制这些基因。他们把成串的基因密码---总共有40万个碱基---送到一个商业实验室,从而合成数十种不同的多基因系统用于测试。他们将这些合成系统插入到天然免疫系统已被灭活的实验室细菌中。接着,他们让这些细菌接触噬菌体和其他的感染因子,以便观察这些移植的防御系统是否是有活性的。在他们研究的各种系统中,10种防御系统强力地保护了这些实验室细菌免受感染,因而将它们鉴定出为新的免疫防御系统。

Sorek说,在计算机分析和开展实验的各个阶段之间,这项研究要求在他的实验室里工作两年的六名人员付出大量的努力。这项研究是由Shany Doron博士和Sarah Melamed博士领导的,而且Gal Ofir、Azita Leavitt博士、Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切参与其中。这个团队每隔一周就开一次“防御委员会(defense council)”来讨论不同的研究分支和他们已发现的防御机制。

根据Sorek的说法,这些研究人员仍然并不知道这些新型细菌免疫系统是如何发挥功能的,而且其中的一些系统“似乎具有令人吃惊的我们如今正在开始研究的功能。”其中的一种系统含有Toll-白细胞介素受体(Toll-Interleukin Receptor, TIR)结构域。已知TIR结构域参与动植物(包括人类)的免疫系统,是人类免疫系统的一个组成部分,甚至是植物的一部分,但是在此之前,人们并不知道它们在细菌中是否参与抗病毒防御。Sorek说,“我们的发现证实我们自身免疫系统的一些重要部分在细菌免疫机制方面具有很深的进化根源。”

其他的基因似乎是从非防御性细菌系统中“借来的”。比如,已知其中的一个基因来自于细菌中的用于游动的鞭毛。这些基因通过让鞭毛摄入质子而给它们提供能量;在Sorek实验室中发现的这些新型防御系统之一使用这些基因来对抗噬菌体。另一个被称作condensin(编码凝缩蛋白)的基因通常在细胞分裂过程中保护DNA,而且这些研究人员发现了一种使用凝缩蛋白机制中的组分的防御系统来保护细菌免受质粒---能够寄生在细菌细胞中的微型环状DNA---的入侵。

Sorek说,“我们成功地找到10种新型细菌防御系统的事实意味着存在更多的细菌防御系统。 我的实验室正在继续寻找新的防御系统,另外,我们正在开始关注几种更有前景的防御系统以便理解它们如何发挥功能。”

Sorek说,这些新的发现是令人兴奋的,这是因为它们提供了关于免疫系统进化和病毒与它们感染的有机体之间的永恒战斗的新窗口。但他也认为,一些人可能寻求强有力的工具用于生物研究:“根据定义,每种免疫系统需要以一种非常具体但灵活的方式靶向入侵的因子,而且我们能够将这种靶向能力用于生物技术目的,正如我们利用CRISPR和在它之前的限制酶所做的那样。我们发现的这些新型系统中的任何一种都有可能是下一种基因编辑工具,或者甚至是开发更令人兴奋的分子工具的基础。”