CRISPR的諾獎是否發(fā)早了？Cell論文揭示細菌的另一種防御系統(tǒng)，具有基因編輯潛力

2020年10月7日，2020年諾貝爾化學(xué)獎揭曉，由兩位女科學(xué)家——Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna獲得，以表彰她們“開發(fā)出一種基因組編輯方法”，即CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)。

基于這項由細菌/古菌的防御系統(tǒng)改造而來的技術(shù)，研究人員能以極高精度改變動物、植物和微生物的DNA，并有望更改某些生物的生命周期。然而，值得注意的是，自然界中潛在的基因編輯工具并不止于CRISPR，還有更多的工具仍有待人類開發(fā)！

2020年11月5日，以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense 的研究論文。

這項研究發(fā)現(xiàn)并描述了一種特殊的細菌保護系統(tǒng)——反轉(zhuǎn)錄子（retron），它可以通過觸發(fā)被感染的細菌進行自我毀滅，從而使得噬菌體無法復(fù)制并傳播給其他細

菌。同時，這也是首次具體確定了反轉(zhuǎn)錄子（retron）的自然功能，并有望將其開發(fā)為精確、高效的基因組編輯工具。

反轉(zhuǎn)錄子（retron）是細菌的遺傳元件，由逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）和非編碼RNA（ncRNA）組成。逆轉(zhuǎn)錄酶（RT）以非編碼RNA（ncRNA）為模板，生成一個嵌合的RNA/DNA分子，其中RNA和DNA組分共價連接。值得一提的是，雖然反轉(zhuǎn)錄子在30年前就被發(fā)現(xiàn)了，但它們的許多功能仍然未知。

實際上，就像CRISPR一樣，反轉(zhuǎn)錄子也是細菌免疫系統(tǒng)的一部分——保護細菌免受一種被稱作“噬菌體”的病毒的攻擊。

近年來，研究人員一直在改造反轉(zhuǎn)錄子，并試圖將這種由DNA、RNA和蛋白質(zhì)組成的神秘復(fù)合物轉(zhuǎn)化為潛在的、可以用來改變單細胞生物基因組的新型基因編輯工具。

在這項研究中，研究團隊首次具體證實了反轉(zhuǎn)錄子作為抗噬菌體防御系統(tǒng)的功能。研究人員檢查了多個反轉(zhuǎn)錄子系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)它們可以通過誘發(fā)被感染細菌自我毀滅，從而提供一種針對廣泛噬菌體的防御機制。

研究人員聚焦于反轉(zhuǎn)錄子 Ec48——這是一個在細菌中具有中心抗噬菌體功能的復(fù)合體，并發(fā)現(xiàn)了它可以保護同源重組蛋白RecBCD的證據(jù)。噬菌體蛋白對RecBCD的抑制激活了反轉(zhuǎn)錄子，導(dǎo)致流產(chǎn)感染和細胞死亡。

簡而言之，如果細菌細胞壁等構(gòu)造是第一道防線，那么反轉(zhuǎn)錄子 Ec48 則形成了第二道防線。當(dāng)?shù)谝坏婪谰�崩潰時，則會觸發(fā)第二道防線。

反轉(zhuǎn)錄子保護細菌免受噬菌體侵害

更重要的是，對反轉(zhuǎn)錄子自然功能的新理解可以促進它們投入新的應(yīng)用。對此，本研究的通訊作者Rotem Sorek表示：“反轉(zhuǎn)錄子將會是精確、高效的基因組編輯工具，但現(xiàn)在它們還無法與CRISPR匹敵，部分原因是這項技術(shù)尚未在哺乳動物細胞中發(fā)揮作用。”

那么，反轉(zhuǎn)錄子又是如何被發(fā)現(xiàn)并被在基因編輯領(lǐng)域寄予厚望呢？

上世紀(jì)80年代，研究土壤細菌的研究人員困惑地發(fā)現(xiàn)，許多單鏈DNA短序列散布在細菌的細胞質(zhì)中。緊接著，研究人員發(fā)現(xiàn)每一個DNA片段都會與帶有互補堿基序列的RNA相連，這使得他們意識到一種叫做逆轉(zhuǎn)錄酶的酶從附著的RNA中合成了DNA，并由此形成了一個由RNA、DNA和酶組成的復(fù)合體。

隨后科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這一復(fù)合體即是反轉(zhuǎn)錄子（retron），且實際上是一種新的、阻止噬菌體感染的細菌防御系統(tǒng)。

值得注意的是，CRISPR靶向性很強，但到目前為止，它還不太擅長在目標(biāo)DNA中引入新編碼。與之相對，反轉(zhuǎn)錄子可以通過逆轉(zhuǎn)錄酶制造大量靶標(biāo)序列的副本，這些副本可以被有效地拼接到宿主基因組中。

因此，如果能將反轉(zhuǎn)錄子與CRISPR整合在一起，那么或許能開發(fā)出一種全新的、功能更強大的基因編輯工具。

實際上，早在2018年，斯坦福大學(xué)的 Hunter Fraser 等人就推出了一款基于反轉(zhuǎn)錄子的堿基編輯器，名為CRISPEY。

CRISPEY原理并不復(fù)雜，研究人員首先制造了與酵母基因匹配但帶有一個點突變的RNA，然后通過CRISPR-Cas系統(tǒng)靶向該酵母基因。一旦Cas9切斷DNA，細胞的DNA修復(fù)機制就會用反轉(zhuǎn)錄子的逆轉(zhuǎn)錄酶產(chǎn)生的DNA取代原來的酵母基因，從而引入新的突變。

基于此，該研究團隊通過CRISPEY高效構(gòu)建了成千上萬的酵母突變體，每個突變體只有一個堿基不同。這使得研究人員迅速了解哪些堿基是酵母代謝成長所必需的。

無獨有偶，由哈佛大學(xué) George Church 和麻省理工學(xué)院 Timothy Lu 領(lǐng)導(dǎo)的另外兩個研究團隊也在細菌中做出了類似的研究，并發(fā)表在預(yù)印本平臺bioRxiv上。

總而言之，這項研究首次具體確定了反轉(zhuǎn)錄子（retron）的自然功能——細菌用來抵御噬菌體的防御系統(tǒng)，并可能應(yīng)用于開發(fā)新型基因編輯工具。

正如合成生物學(xué)家 Anna Simon 所說：“反轉(zhuǎn)錄子（retron）可能會像CRISPR一樣具有革命性，但在我們對它有更多了解之前，一切還很難說。”

參考資料：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065

https://www.sciencemag.org/news/2020/11/microbes-mystery-dna-helps-defeat-viruses-and-has-genome-editing-potential