繼CRISPR之後，科學家又在細菌內發現了10個全新的防禦系統
2017年，基因編輯CRISPR在眾多研究領域中殺出了一條血路，雖然人體試驗的開展仍然有著許多顧慮，但是CRISPR治療疾病已然成為了目前最火熱的焦點。此外，憑藉著成本低廉，操作方便，效率高等優點，CRISPR迅速在全球的生物、醫學實驗室中站穩了腳跟，研究人員不用再找專門的生物公司，自己在實驗室就能搞定基因的敲除等需求。
不過，奇點糕想問大家，有多少人記得，以基因編輯聞名天下的CRISPR的「初心」居然是「免疫系統」呢？是的，CRISPR作為一段有規律間隔的重複序列，最開始是作為細菌的免疫防禦系統被發現的。距離它的發現，已經有31年了。
31年後的今天，來自以色列魏茨曼科學研究所的Rotem Sorek教授帶領團隊，一口氣發現了10個新的細菌免疫防禦系統！他們的研究成果發表在了《科學》雜誌上。其中9種是抗噬菌體系統，還有1種抗質粒系統[1]。Sorek教授認為它們之中有幾種有潛力成為新的基因編輯工具。
Rotem Sorek教授
1987年，日本大阪大學的分子生物學家Yoshizumi Ishino在Journal of Bacteriology雜誌上發表文章[2]，他在研究大腸桿菌的鹼性磷酸酶同工酶（iap）基因時偶然發現了一段位於iap基因上游的有規律間隔的重複序列。不過Ishino當時也沒有深究，只是將它作為一個有意思的發現發表了。
一晃十幾年就過去了，2000年時，西班牙的微生物學家發現這段序列在細菌和古細菌中廣泛存在[3]。2年後，這段序列終於有了屬於自己的名字——CRISPR。
但是直到2007年，研究人員才揭示了在細菌中，CRISPR系統的功能是提供「獲得性免疫」[4]。在噬菌體等侵染細菌時，被俘獲的DNA就存儲在CRISPR這段序列的間隔區，當這些外源DNA再次入侵時，CRISPR就能識別它們並切斷，沉默這些基因的表達，當然這也是CRISPR能成為基因編輯工具的原因。不過，只有約40%的已知細菌中有CRISPR系統[5]，這就引申出了一個問題，剩下60%的細菌呢？
這個疑問讓Sorek教授意識到，在細菌的免疫系統領域還有很多可挖掘的東西，才有了這次的新發現。
Sorek教授表示，他們還沒有確定這些新發現的免疫系統的具體作用機制，不過這些系統和以前發現的不完全相同，除了有可能誕生新的基因編輯工具外，其他的則為尋找人類免疫系統的起源提供了新的方向[6]。
無論是這兩種「功能」中的哪種，都足夠讓人心潮澎湃，有兩位沒有參與研究的研究人員表示，「這是生物信息學的偉大成就。」「從科學的角度來說，這項研究太酷了。」[7]
為什麼是生物信息學的成就呢？因為研究人員開發了一個計算機演算法，掃描了超過45000個已經測過序的細菌和古細菌基因組，大約有超過1.2億個基因。通過演算法，他們找到了已知有「防禦」功能的基因附近的功能未知基因，因為「免疫防禦系統基因」通常不會是單獨工作的，它們應該是「一個小組」。在經過逐輪篩選後，研究人員將範圍從幾百萬減小到了幾百，接下來的工作就是測試這些基因的功能了。
從已知的免疫系統基因（如Cas9、限制內切酶）等入手，探索它們附近大量存在的基因，篩選出備選的系統
此時研究人員沒有選擇用從細菌中分離基因序列的方法，而是轉向了合成生物學。他們將組成這些基因的大約40萬個鹼基送到商業實驗室中，請他們幫忙合成出了28種不同的序列用以測試。
研究人員將這些序列分別插入到免疫系統失活了的大腸桿菌和枯草芽孢桿菌中，將它們暴露在噬菌體和質粒等物質中，觀察兩種菌是否能抵抗侵染。經過這個實驗，新的10種「免疫系統」就被鑒定出來了！
給這些免疫防禦系統命名使研究人員犯難了，因為當初給CRISPR起名時，他們就是用CRISPR的特徵——成簇的、規律間隔的、短迴文、重複序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat Sequences）的首字母串成了CRISPR這個名字，現在要一口氣起10個，起名廢的科學家們懵了。他們想，免疫系統是起到「保護作用」，那就用神話中保護神的名字來命名吧！於是，Zorya系統、Druantia系統等等就誕生了。
篇幅有限，奇點糕不能一一介紹，感興趣的朋友們可以對照圖裡自行理解~
雖然沒能揭示作用機制，但是研究人員解析了系統的結構，也有一些有趣的發現。比如Zorya系統，它的一部分基因來源於細菌鞭毛的質子通道，本來是幫助鞭毛獲取能量的，而初步的研究發現，它們在免疫系統中可能有「自殺功能」，也就是說，當細菌被噬菌體感染後，就會「自殺」。
再比如Thoeris系統，它包含Toll—白介素受體（TIR）結構域，TIR結構域是我們人體免疫系統不可或缺的一部分，參與信號轉導，在天然免疫中發揮著重要作用，但這是研究人員第一次在細菌中發現它們也發揮免疫功能。這一結果也表明，從進化的角度來看，我們人類的免疫系統和細菌可能有著很深的同源性。
在論文的最後，研究人員指出，過去，細菌防禦系統的發現和機制的揭示為我們帶來了重要的生物技術工具。除了CRISPR之外，更早被發現和應用的限制性內切酶也是一個典型例子，能追溯到20世紀中期，是遺傳工程領域的革命性發現，它們也是可以識別、切割，甚至是修飾來自噬菌體等的外源DNA，保護細菌。還有從真核生物（線蟲）中發現的RNA干擾（RNAi）技術也是思路類似。
因為這些「防禦系統」具有準確識別內源DNA和外源DNA以及高精度的靶向性的特點，註定它們中有不少適合成為分子工具，未來，研究人員也將繼續探索他們發現的這10種新的防禦系統的作用機制。「我們發現的任何一個新系統都有可能成為下一個基因編輯工具，甚至可能會發現更加令人激動的。」[6]
參考文獻：
[1] S. Doron et al., 「Systematic discovery of antiphage defense systems in the microbial pangenome,」 Science, doi:10.1126/science.aar4120, 2018.
[2] Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, et al.Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphataseisozyme conversion inEscherichia coli, and identification ofthe gene product[J]. J Bacteriol,1987,169(12):5429-5433.
[3] Mojica F J, Diez-Villasenor C, Soria E, etal. Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomesof Archaea, Bacteria and mitochondria[J]. Mol Microbiol, 2000,36(1):244-246.
[4] Barrangou R, Fremaux C, Deveau H, et al.CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes[J]. Science,2007,315(5819):1709-1712.
[5] Kunin V, Sorek R, Hugenholtz P. Evolutionary conservation of sequence and secondary structures in CRISPR repeats[J]. Genome biology, 2007, 8(4): R61.
[6] https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/bacterial-immune-systems-take-stage
[7] https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/51497/title/Researchers-Discover-10-New-Immune-Systems-in-Bacteria
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