《科學》！麻省理工張鋒最擔心的事情發生了：取代CRISPR基因編輯新方法！以色列打開尋找新的基因編輯工具大門

引言

最新一期國際著名醫學期刊《科學》雜誌發表了一篇重磅研究，一組來自以色列的科學家在細菌體內發現了新的10種免疫防禦系統，這些新系統將為開發新的基因編輯工具帶來希望。

在微生物面前，人類還是一個自以為是的小孩子！

細菌在幾十億年之前就已經在地球上面生存，幾十億年的進化讓細菌在地球上大獲成功，如今，細菌無處不在，空氣、水、土壤、動植物身上都有細菌的身影！

細菌在地球上持續攻佔了山川河流、植物、低等生物、甚至恐龍、哺乳動物，最後攻佔了人類的肚子！

別以為人類了不起，若是沒有細菌在你肚子裡面玩耍，你要想愉快地生活那是絕對不可能的！如今的微生物研究可以揭示一定的道理：你需要伺候好你肚子裡面的細菌，否則它們要是鬧騰起來，你的整個身體運轉恐怕會出問題！

▲藝術家設計的一種模擬細菌培養皿中繪畫藝術（圖片來自網路）

看到這裡，是不是以為顛覆了你的想像？這是一個細菌統治的世界！

?噬菌體的進攻?

然而，好就好在這個地球有一個所有的物種都逃不過的自然規律，那就是：相生相殺！這正是我們中國的古話說的：一物降一物。

這正是生態平衡的概念！自然界的一切都是維持生態平衡，你細菌若是強大到無人能敵，強大到肆掠地球，無法無天，那還得了？因此，細菌也有天敵！

細菌的天敵是什麼呢？那就是號稱噬菌體（phage）的簡單生物：僅由一條核酸和外殼蛋白質組成。

▲噬菌體外形（模擬圖），緊緊附在細菌的表面

噬菌體的外形貌似科幻電影中的外星生物，一個大腦袋加八角蜘蛛一樣的腳，一旦附著在細菌表面（不同的噬菌體針對不同的細菌），就將自己的核酸注入細菌，然後裂解細菌，複製自己。

因此，可以說細菌是噬菌體的「獵物」。

有了噬菌體，細菌就不敢到處囂張了（當然，且不提抗生素的強大作用），也不敢佔領一切了。

?細菌的反擊?

但是，你以為這就是故事的結尾，那就太不懂相生相殺的套路了。

舉個不嚴謹的例子，比如刺蝟是豹子的獵物，但是人家刺蝟在漫長的被獵殺的過程中，漸漸進化出了又長又硬的刺，幾萬年以後，你豹子的後裔要想再吃刺蝟，那就不容易了，你以為那尖尖的刺是你嘴巴上的肉能夠對付得了的？

因此，這裡也一樣，你噬菌體要殺我細菌，我細菌就在漫長的歲月中進化出了防禦系統，專門用來對付噬菌體。

目前，最出名的細菌防禦系統就是CRISPR-Cas系統。CRISPR簇是一個廣泛存在於細菌和古生菌基因組中的特殊DNA重複序列家族，充當了防禦外源遺傳物質的「基因武器」。CRISPR全稱Clustered Regularly Interspersed Short Palindromic Repeats—成簇的規律間隔的短迴文重複序列，分布在40%的已測序細菌和90%的已測序古細菌當中。

?細菌的免疫系統?

正如前面所言，每一種噬菌體專門獵殺某一種細菌，因此，某一種類的細菌就進化出專門對付特定噬菌體的防禦系統。所以，不同種類的細菌進化出多種多樣的防禦系統。

眾所周知，目前火熱異常的第三代基因編輯技術是由CRISPR系統改造而來，而CRISPR系統則僅占整個目前已經測序的細菌的40%左右，那麼，其他的細菌種類靠什麼方式來防禦噬菌體呢？

▲附著在細菌表面的噬菌體的電鏡照片，可以看到許多噬菌體（圖中許多白色的「腦袋連著尾巴」的是噬菌體）正在攻擊細菌（圖片來自網路）

換句話說，目前都發現有哪些細菌的免疫系統呢？

除了上面所說的CRISPR系統之外，目前還發現【1】：

R-M系統：restriction-modification (R-M) systems；

Abi系統：abortiveinfection systems (Abi)；

BREX系統；

pAgos系統：prokaryotic Argonautes (pAgos)；

DISARM系統

其中，目前已經知道，CRISPR系統占整個目前已經測序的細菌的40%左右；R-M系統則更廣泛，在75%的原核生物基因組中均被發現；而BREX系統和pAgos系統加起來則在10%原核生物基因組中能觀察到【1】。

細菌的種類萬萬千千，人類發現的細菌或者已經測過序列的細菌可以說是地球上細菌中的一小部分，因此，是否還存在其他的細菌免疫系統呢？

?研究過程?

這正是以色列Weizmann研究所的分子遺傳學家Rotem Sorek帶領的研究團隊想乾的事情。

該研究團隊在最新一期《Science》上面發表文章，發現了細菌的10種新的免疫系統，這些新系統的深入揭示，會為開發新的基因編輯工具帶來幫助。

▲研究者們在著名學術期刊《科學》雜誌上發表的文章，這張截圖是不是相當喜慶呢？小編可是等了好久才等到這條Science上面跳出來的廣告，於是趕緊截下來，希望能夠召喚關注本公眾號的一眾海外大咖以及你們的徒子徒孫趕緊回來報效國家同時成就自己更大的未來（圖片來自Science）

研究者們是怎麼發現的呢？或者說採用什麼方法發現的呢？

這得看一看設計思路。總的來說就是通過已知基因發現未知基因。

那麼，怎麼通過已知基因發現未知基因呢？研究者們設想，細菌的免疫系統抗擊噬菌體往往不會一個防禦基因（defense gene）單獨行動（比如Cas9或者某個限制性內切酶），而可能是一大堆臨近的基因家族一起行動，這樣一來，已知某個抗擊噬菌體的基因之後，在這個基因的周邊或者離這個基因不遠的基因組位置上，也必定存在其他的這個基因家族相關的防禦基因。因此，只需要把不同的細菌的基因組放在一起來進行序列比對，就能發現序列同源的基因，最後再把臨近的同源基因拼接起來，就能夠組裝成候選的細菌免疫系統了。

▲研究者們採取的獲取候選細菌免疫系統的方案示意圖，黃色代表已知的防禦基因（defense gene，比如Cas9、一些限制性內切酶等），而在這些已知的防禦基因臨近的位置，可能存在一些未被發現的防禦基因，因此，通過不同的細菌基因組的序列比對及組裝拼接就能夠獲得候選的細菌防禦系統

實際上，說起來你可能感覺非常複雜，然而，看看上面的圖你就會一目了然，事實上，熟悉的人就知道，就是序列比對然後拼接基因組那一套類似的方法。

當然，在這裡我們也不要過多糾結於生物信息學分析了，大多數人還是喝不了程序狗們這碗難喝的湯！

難怪現在看到實驗室招聘最火爆的職位就是Bioinformatics Engineer。

那好，過程看得糊裡糊塗的，那就在下面一節看看結果吧！

?發現10種新系統?

研究者們從大於45000個已知基因組序列的細菌及古細菌的超過1.2億個基因的14083個蛋白家族中進行篩選，結果篩選到335個候選基因家族，這些候選基因家族可能就是細菌的免疫系統基因家族。

▲研究者們進一步採取策略在兩種免疫缺陷的細菌中篩選候選基因家族

因此，研究者們將要進一步在缺少免疫系統的大腸桿菌菌株str. MG1655以及枯草芽孢桿菌菌株str. BEST7003（類似缺少免疫系統的小白鼠）中進行檢驗，把這些候選免疫系統基因加入到缺少免疫系統的上述兩株細菌中，然後加入噬菌體，觀察能不能抗擊噬菌體的殺傷，若是能夠抗擊噬菌體，那麼，這個候選免疫系統就是真正的細菌免疫系統了，相反，若不能抗擊噬菌體，則表明導入的這個候選基因家族不是細菌免疫系統。

▲領導這項研究的Rotem Sorek博士

Hold on....

此時估計這些研究者們傻了眼！為何？因為一共有335個候選基因家族，若是合成這些基因的序列，那可是相當昂貴啊，估計此時此刻Rotem Sorek博士作為實驗室老闆的心是崩潰的，合成這些序列這麼多錢，不是逼著我關門嗎？

確實，雖然你Rotem Sorek小鮮肉博士長得細皮嫩肉，風流倜儻，但是也不能當飯吃，更不可能把長相當錢用，不信你就走到基因合成公司去刷一下臉，看他們公司能不能給你降價合成序列甚至免費送你。若是刷臉都能解決錢的問題，那小編得活的多開心（開個玩笑）。

於是，瘋狂地通過各種各樣的方法砍掉三百多個候選基因家族，只留下28個！

這回終於不用花太多錢了（開玩笑），於是開始做實驗，結果最終篩選到10個新的細菌免疫防御系統（如下表）。

▲研究者們發現的10個新的細菌防禦免疫系統，採用各種神話人物來命了名

當然，研究人員還研究了其中幾種系統，在此不再詳說。這10種系統中有9種都是抗擊噬菌體的，有一種是抗質粒系統。

?為新的遺傳工具提供可能?

不要忘了現在如火如荼的第三代基因編輯技術CRISPR-Cas系統的發現歷史，也是源於細菌的CRISPR免疫系統的分子機制的闡明。而第二代基因編輯技術TALEN技術則來源於植物病原體黃單胞菌屬的avrBS3蛋白特異核酸序列結合特性。

事實上，許多工具酶都是人類從細菌偷師而來，這也正是細菌的偉大之處。你花費一生越過山丘，苦苦追尋答案，而大自然早已經把答案深埋在細菌之中，只為等待一雙發現的眼睛。

「我們發現的系統與之前所見過的不同，「Sorek說， 「但其中我們認為，有一兩個可能有增加基因編輯工具箱的潛力，還有一些指向人體免疫系統的起源。」

小編深刻地經歷過第一代基因編輯技術鋅指核酸酶ZFN技術的爆發到如日中天，再到少有問津，第二代基因編輯技術TALEN的爆發，再到衰弱，直到第三代基因編輯技術的爆發，如今應用已經極其廣泛。

有沒有更好的基因編輯技術？人們一直都會問！科學家們也一直苦苦追尋，誰又能夠一定確定未來基於CRISPR-Cas系統的技術不會被取代呢？

這也許正是張鋒這群人所擔心的！就像打敗銀行的並非幾個大銀行本身，而是來自於全新的對手！

參考資料：

1. Systematic discovery of antiphagedefense systems in the microbial pangenome.

2. https://wis-wander.weizmann.ac.il/life-sciences/bacterial-immune-systems-take-stage

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