當(dāng)異物攻擊時(shí)，構(gòu)成我們免疫系統(tǒng)的分子民兵就會(huì)開戰(zhàn)。在混亂的戰(zhàn)斗中，這個(gè)騎兵必須小心不要對(duì)自己的士兵開火; 從人類到細(xì)菌的各種生物體已經(jīng)發(fā)展出特殊的機(jī)制來避免這種混淆。洛克菲勒科學(xué)家的一項(xiàng)新研究描述了一種策略，即細(xì)菌區(qū)分自己的部隊(duì)和惡意入侵者，如病毒。這項(xiàng)發(fā)表在Molecular Cell上的研究表明，蛋白質(zhì)Cas10通常是無害的，但在面對(duì)外來遺傳物質(zhì)時(shí)會(huì)變成酶刺客。

獨(dú)特的防線

細(xì)菌保護(hù)自身的一種方法是通過使用CRISPR，或聚集有規(guī)律的間隙短回文重復(fù)序列和相關(guān)的Cas蛋白。這些系統(tǒng)不僅可以抵御病原體，還可以記憶它們：當(dāng)一種細(xì)菌受到攻擊時(shí)，它會(huì)復(fù)制并儲(chǔ)存一部分入侵者的DNA。這種稱為間隔區(qū)的基因序列有助于細(xì)菌在下次攻擊時(shí)識(shí)別入侵者。一旦檢測(cè)到侵入者，Cas酶會(huì)溶解其DNA。

作為一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，CRISPR研究有助于了解細(xì)菌如何獲得對(duì)病毒的免疫力，以及這種免疫如何影響微生物的進(jìn)化。科學(xué)家已經(jīng)確定了幾種類型的CRISPR系統(tǒng)，包括II型，由于其在基因編輯技術(shù)中的應(yīng)用，最近引起了人們的極大關(guān)注。然而，Shixin Liu教授對(duì)一種研究較少的系統(tǒng)感興趣，該系統(tǒng)被稱為III型，他說，“它是存在的最迷人的CRISPR系統(tǒng)”。

在與Luciano Marraffini教授交談后，劉先生對(duì)III型的熱情出現(xiàn)了，他的實(shí)驗(yàn)室致力于理解CRISPR-Cas系統(tǒng)。2017年，Marraffini及其同事表明，III型系統(tǒng)具有獨(dú)特的能力，不僅可以針對(duì)單個(gè)入侵者序列，而且可以針對(duì)遺傳主題進(jìn)行變異。這意味著即使病毒發(fā)生變異，CRISPR-Cas仍然可以識(shí)別并破壞其DNA。

“對(duì)于其他系統(tǒng)，你的目標(biāo)序列中只有一個(gè)突變，通常會(huì)失去免疫力，”劉說。“但是使用Cas10酶的III型系統(tǒng)即使在靶標(biāo)有多個(gè)突變時(shí)也能有效。”

與其他CRISPR類型的酶相比，Cas10在相對(duì)多種靶標(biāo)上發(fā)射; 然而，它設(shè)法避免傷害細(xì)菌自身的DNA。劉先生想知道，III型復(fù)合體如何區(qū)分自我和其他?

避免友好的火災(zāi)

與Marraffini和博士后研究員Ling Wang一起工作，Liu開始更好地了解Cas10如何與不同種類的RNA相互作用。他們使用單分子熒光顯微鏡分析了酶的動(dòng)力學(xué)，這種技術(shù)可以讓研究人員跟蹤分子隨時(shí)間的變化。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cas10暴露于入侵者的RNA時(shí)，酶的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出新的形態(tài)。并且，劉說，當(dāng)Cas10循環(huán)通過各種構(gòu)象時(shí)，它間歇地進(jìn)入活躍狀態(tài)，這使得酶具有DNA溶解能力。

相反，當(dāng)Cas10遇到“自身”RNA時(shí)，酶被鎖定在非活性位置，這阻止了DNA的任何切割和切片。劉說，這些結(jié)果解釋了III型系統(tǒng)如何避免自毀行為。

“我們不希望Cas10隨意切割DNA。它的活動(dòng)必須受到監(jiān)管，”他說。“而且看起來這種酶只有在從非活性配置中解鎖時(shí)才有效。”

研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cas10暴露于突變的敵人RNA時(shí)，酶可以彎曲成有限數(shù)量的活性形狀。隨著Cas10的延展性降低，細(xì)菌免疫反應(yīng)的強(qiáng)度也隨之降低。

這些研究結(jié)果表明，強(qiáng)大的免疫反應(yīng)取決于Cas10的活動(dòng)能力：當(dāng)酶能夠自由擺動(dòng)時(shí)，它會(huì)在活躍狀態(tài)下花費(fèi)更多時(shí)間，從而更多時(shí)間降解危險(xiǎn)的DNA。劉說，盡管酶失去了一些靈活性，但它并沒有完全喪失其傷害入侵者的能力。

“這些結(jié)果表明，免疫力不是二元性的，”他說。“相反，隨著外源RNA突變，免疫力逐漸變強(qiáng)。”

該研究有助于解釋III型系統(tǒng)的獨(dú)特靶向策略，并有助于持續(xù)了解CRISPR-Cas免疫如何影響細(xì)菌的進(jìn)化。