细菌如何利用休眠病毒实现自我免疫接种

细菌利用病毒休眠期构建免疫力

分子生物学家 Joshua Modell 表示，一个单细胞细菌能以与拥有1.8万亿细胞的人类免疫系统相似的方式防御病毒，这一想法至今仍令人“震惊”。

20年前，科学家发现细菌使用一种称为CRISPR的适应性防御系统，该系统使微生物能够在重复遭遇时识别并摧毁病毒入侵者。在最近发表于《细胞·宿主与微生物》的一项研究中，Modell及其团队深化了我们对细菌如何利用该系统对自己进行“疫苗接种”以对抗试图杀死它们的噬菌体（即感染细菌的病毒）的理解。这些发现可能有助于开发对抗抗菌素耐药性的治疗方法，这种耐药性每年导致数百万人死亡。

CRISPR系统允许细菌编辑自己的基因组。在暴露于病毒后，细菌可以利用一种特殊的酶，将称为“间隔序列”的病毒DNA小片段插入其基因组，这有助于它们在下次识别并击退该病毒。科学家现在将这种酶用作“基因剪刀”，在从实验室实验到基因治疗的各种场景中调整DNA，但研究人员此前对细菌体内这一过程如何展开知之甚少。“我们称之为CRISPR之谜，因为我们并不真正了解内部发生了什么，” Modell 说。

为了解细菌如何设法捕获入侵病毒的DNA，研究人员使用酿脓链球菌及其感染噬菌体进行了受控实验室实验。在感染阶段，大多数噬菌体会立即裂解细胞，这一过程称为裂解。在极少数情况下，它们可以转而隐藏在细菌DNA内部并进入休眠状态，这种状态称为溶原性。这种状态因其难以研究而众所周知。

在实验室中，Modell的团队用既能进入休眠状态又能被基因工程锁定在活跃状态的噬菌体感染细菌。研究人员随后收集存活细胞并检查其遗传密码，以查看它们是否添加了来自病毒DNA的新间隔序列。

他们发现，细菌仅从可以进入休眠状态的噬菌体中添加间隔序列。Modell解释说，在这种“平静期”，细菌有时间捕获微小的病毒DNA片段并将其储存在其基因组中。“CRISPR系统针对病毒的灭活形式制造记忆，就像疫苗一样，” Modell 说。为了确认他们的结果，Modell及其团队再次将携带间隔序列的细菌暴露于相同的噬菌体，以观察新的遗传记忆是否能保护它们免受感染。研究人员观察到，细菌可以利用那些储存的片段识别噬菌体并与之对抗。

未参与这项研究的荷兰代尔夫特理工大学分子生物学家Stan Brouns称这些发现“相当了不起”。了解噬菌体与细菌之间的相互作用对于改进噬菌体疗法至关重要，这是一种科学家利用病毒治疗由对抗生素产生耐药性的细菌引起的感染的方法。

未参与该研究的某州立大学分子生物学家Rodolphe Barrangou表示，这种新的理解也可能帮助研究人员设计出更多类型的致病细菌都易感的噬菌体。他联合创立了一家开发抗菌产品的生物技术公司。各种细菌可能拥有超过150种抗噬菌体防御机制，治疗方法必须避开这些机制；了解这一机制的工作原理“将激励从事[细菌]研究的人们更广泛地思考噬菌体疗法在各种感染性疾病中的应用”。
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