关于CRISPR免疫系统如何进化的新见解

通过对遗传工具CRISPR(可以直接编辑我们的基因)如何进化和适应的新见解，我们现在距离了解自然界不断为生存而奋斗的基础又迈进了一步。结果可用于未来的生物技术中。

2020年，诺贝尔化学奖授予Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna，他们发现了CRISPR-Cas背后的分子机制并将该技术用作遗传工具。尽管CRISPR-Cas已在生物技术和医学中找到了许多用途，但它起源于自然界，在这里它具有微生物免疫系统的功能。

正如我们的免疫系统记得我们生命中早已暴露的病原体一样，CRISPR-Cas通过将少量病毒DNA存储在自己的基因组中，使微生物能够对它们先前遇到的病毒快速做出反应。

CRISPR-Cas天然存在于大多数细菌以及所谓的古细菌中。在检查地球上的生命起源时，古细菌特别有趣，因为它们在细菌与像我们这样的高级真核生物的细胞之间形成了一种“缺失的联系”。因此，对这些生物的研究可以为我们提供关于CRISPR-Cas免疫系统如何进化数亿年的重要见解。

新结果揭示了为什么CRISPR-Cas基因中存在毒素

奥尔胡斯大学分子生物学和遗传学系研究人员的新研究结果是与哥本哈根大学和美国弗吉尼亚州的旧多米尼翁大学的领先研究人员密切合作获得的，并在国际领先期刊上发表了两篇文章。揭示了CRISPR-Cas如何在地球生命发展的早期出现，以及这种免疫系统如何不断适应新挑战。

由Ditlev E. Brodersen副教授领导的奥尔胡斯研究小组发现，负责将外来病毒DNA掺入微生物自身基因组的CRISPR-Cas的一部分是如何起源于细菌中另一种非常常见的基因和古细菌惊人地编码毒素。

因此，新知识为进化过程提供了见识，其中毒素基因在生命发展的早期就存在，并随着时间的流逝被整合并改编为许多微生物至今所拥有的CRISPR-Cas模块的一部分。第一次，我们有了一个答案，这个问题一直困扰着研究人员很长时间，即为什么毒素基因存在于CRISPR-Cas基因之中。

-“对某些蛋白质在几种不同情况下如何'回收'的理解，对研究人员非常有用，” Ditlev Brodersen解释说，“因为当我们了解某些蛋白质所具有的全部功能时，它就有了可能将它们用作基因工程中的特定工具。例如，可能会导致致病细菌将其CRISPR-Cas系统引向自身，从而避免感染。”

微生物与病毒之间的持久战

在发表在著名杂志《自然通讯》上的另一篇文章中，研究人员描述了新发现，这些发现为洞悉微生物和代表其最大敌人的病毒之间的持续斗争提供了见识。

在冰岛沸腾的水坑中，生活着一种非常特殊的生物体，即古细菌，名为Sulfolobus islandicus，这种细菌已经适应了这个地方的生命，这种细菌具有恒定的80-100°C的温度和与胃酸相对应的酸度构成地球上最荒凉的地方之一。

但是，即使Sulfolobus选择了一个极无吸引力的生活环境，它仍然会遇到阻力，尤其是小型的杆状DNA病毒不断在细胞中戳破孔并将其外来DNA射入其中，从而导致Sulfolobus爆炸。大量的新病毒颗粒。为了避免这种命运，Sulfolobus开发了一种CRISPR-Cas防御，通过它可以将病毒DNA的一小部分存储在自己的基因组中，以抵抗这些攻击。

反CRISPR-破坏小车

但在生与死之间不断升级的斗争中，该病毒提出了一项对策：它已设法通过生产一种小型武器来应对，该武器是一种抗CRISPR蛋白质，就像使苹果车翻倒一样，能够阻止Sulfolobus中的CRISPR-Cas反应。

奥尔胡斯大学Ditlev E. Brodersen小组的新结果是与哥本哈根大学生物学系的徐鹏副教授密切合作产生的。现在，这首次证明了这场斗争是如何在沸腾的水池中发生的。

研究人员已经能够看到抗CRISPR蛋白如何与CRISPR-Cas系统的最大蛋白牢固结合，从而直接防止其破坏病毒DNA。这样，病毒绕过了至少一段时间，被CRISPR-Cas打败了。新的结果使科学家对自然界不断发生的军备竞赛以及生命的演变实际上是为生存而不断斗争的见解。

-“我们现在知道抗CRISPR蛋白如何阻断CRISPR-Cas免疫系统的细节，所以问题是这场军备竞赛的下一步行动。” Ditlev Brodersen说。“也许微生物将开始形成抗-CRISPR蛋白，这是第三种可以阻止抗-CRISPR蛋白起作用的蛋白，但是我们还没有在古生菌中找到它们。所以现在，这种情况又重新开始了。 Diflev Brodersen说，Sulfolobus占了一半，冷战在沸腾的水池里总是很热。