再创 | 合成生物学助力寻找细菌免疫新机制
简单的细菌拥有众多抵御“外敌”的防御机制
作者：田野
BNU_China iGEM 2016成员
北京师范大学生命科学学院本科在读
十年前，科学家们还没有意识到细菌其实具有复杂的免疫系统。这种观点随着当今最有名的细菌免疫机制——CRISPR的发现而被改变。CRISPR作为一种天然的基因编辑器，已经在全世界上千个实验室中彻底革新了生物学的研究方法。研究者们逐渐了解到大多数微生物都具有复杂精巧的免疫系统， CRISPR其实只是冰山一角。然而，人们并没有很好的办法来发掘此类系统。
现在，Weizmann科学研究所的Rotem Sorek教授和他的团队在一项大规模的系统性研究中揭示了10种以前未知的细菌免疫防御机制。
“我们发现的这些系统与以往我们知道的都不一样，”Sorek说，“但是我们认为在它们中间有一个或两个系统可能具有改造成为基因编辑工具的潜力，其他的系统则可以为人类免疫系统的起源提供线索。”他们的研究结果日前被发表在《科学》杂志上。
研究中发现的10种新型细菌免疫系统汇总
Rotem Sorek教授解释说，细菌并不能单靠CRISPR来对付噬菌体。事实上，许多噬菌体都具有“抗CRISPR”蛋白质，可以抵消CRISPR的活性，这意味着细菌会有其他系统来填补这个缺口。于是Sorek和他的团队开始寻找这些系统。他们创建了一个计算机程序来扫描所有已知序列信息的细菌基因组——总共约有50,000个。他们所用的算法并没有去寻找具有预定义特征的序列，而是寻找涉及防御的基因们的“统计特征”——例如它们在“防御岛”中的位置，而这些“防御岛”往往又会接连出现几个与防御相关的基因。接着，由于免疫系统基因很少单独工作（即使是在细菌中），研究人员开发出复杂的计算机分析方法，以便了解哪些基因会联合起来共同组成防御系统。
而一旦将可能的防御基因的数量从几百万缩小到几百个，研究者们就能够测试他们筛选出的这些系统是否具有对病毒的防御能力。与以往不同的是，研究者团队并没有尝试从几百种不同的细菌中分离出这些基因，而是借助合成生物学的力量：直接合成所需基因。他们将这些基因序列——总计有大概400,000个碱基，送到一个商业化实验室，在那里不同的多基因系统都被合成出来并加以测试。接着，研究者们将这些合成系统引入天然免疫系统失活的实验室细菌中，然后将细菌暴露于噬菌体和其他感染因子之下，从而检测引入的这些防御系统能否发挥作用。最终，在所有这些系统中，有十个系统成功使实验室细菌免受感染，研究者们便将它们确定为新的免疫防御系统。
Sorek说，实验室的六名研究人员耗时两年，在计算机分析和实验的各个阶段付出了大量的努力，才得以完成这项工作。该研究由Shany Doron博士和Sarah Melamed领导；Gal Ofir，Azita Leavitt博士，Anna Lopatina博士和Gil Amitai博士密切参与。整个团队每隔一周就要开一次“防务委员会”来讨论他们所研究的细菌防御新机制。
研究者们仍然不知道这些新的细菌免疫系统是如何工作的。Sorek认为其中的一些甚至“似乎具有令人吃惊的功能，而我们才刚开始探索它们”。这些系统中有一个含有Toll-白细胞介素受体（TIR）结构域。TIR结构域被广泛认为是免疫系统的一部分。这些结构域是人类免疫系统的重要组成部分，但是此前从未在细菌中发现它们能参与抗病毒防御系统。“我们的发现说明，人类免疫系统的一些重要组成在进化上与细菌免疫系统有很深的渊源。”Sorek说。
其他一些基因似乎是从其他非防御性的细菌系统中“借来”的。比如其中一个基因来源于细菌的鞭毛系统。此类基因通常利用质子跨膜为鞭毛马达提供能量，而Sorek实验室发现的新的防御系统则是利用这些基因来抵抗噬菌体。另一个被称作凝集素的系统，通常在细胞分裂过程中起保护DNA的功能，研究人员也发现其中一个细菌防御系统利用了凝集素机制的成分抵御外源入侵的质粒。
“我们能够找到十种新的细菌防御系统，这一事实说明还有更多系统等待我们去发现”Sorek说，“我的实验室正在继续寻找新的系统，而且，我们也开始关注其中几个具有前景的系统并研究他们是如何工作的。”
Sorek说，新的发现是令人兴奋的，因为它打开了新的窗户，让我们能够窥探免疫系统的进化过程以及病毒和其寄主之间的永恒战斗。同时他也相信，这些系统中也会诞生出新的强有力的生物研究工具。“每一个免疫系统，顾名思义，需要以一种非常特异但又灵活的方式靶向入侵的组分，而我们可以将这种靶向性应用于生物技术中——正如我们之前对CRISPR和限制性内切酶所做的那样。我们发现的每一个新的系统都可能是下一个基因编辑的工具——甚至也可能为开发更加令人激动的分子工具奠定基础。”Sorek说。
Weizmann科学研究所的Rotem Sorek教授
参考资料：
1. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-01/wios-bis012518.php
2. Doron, S., S. Melamed, G. Ofir, A. Leavitt, A. Lopatina, M. Keren, G. Amitai and R. Sorek (2018). "Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome." Science.