细菌通过CRISPR-Cas免疫系统与噬菌体和质粒等外源DNA共进化

摘 要:

细菌的免疫系统比人们先前想象的要强大得多。在大约一半的细菌种类和几乎所有古域单细胞微生物中都发现了CRISPR-Cas适应性免疫系统。细菌如果被噬菌体或质粒感染入侵以后,CRISPR-Cas免疫系统会针对这些外源DNA分子建立特异的遗传记忆。细菌最多可以存储600个外源样本信息,并可将这些免疫记忆信息传递给子代细菌。

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发表在2014年4月PNAS上的一项研究中,一个科研团队利用导致马铃薯软腐病的细菌大肠杆菌研究了细菌适应性免疫(adaptive immunity)的遗传基础。研究结果发现,细菌的免疫系统比人们先前想象的要强大得多,并具有令人惊讶的可塑性。

在过去的十多年里,人们发现了CRISPR-Cas具有免疫功能,并在大约一半的细菌种类和几乎所有古域单细胞微生物中都发现了CRISPR-Cas适应性免疫系统。细菌通过这个免疫系统来防止其病毒噬菌体)和其它外源DNA的入侵。细菌如果被噬菌体或质粒感染入侵以后,免疫系统会针对这些外源DNA分子建立特异的遗传记忆。

CRISPR-Cas能够将外源DNA分子样本信息存储进来,当再次遭遇这些外源DNA物质的入侵时,能够立即识别并防止其感染入侵。细菌最多可以存储600个外源样本信息,而且可以将这些免疫记忆信息传递给子代细菌。

先前人们认为,CRISPR-Cas系统有一个致命的弱点,如果这入侵的外源DNA获得足够的突变,以致于再次感染入侵,与细菌存储样本信息的匹配不够紧密时,免疫系统将不能发挥其功能。

最新研究结果发现,当噬菌体和质粒通过多位点突变来逃避细菌免疫系统的直接识别时,该系统能针对这些突变的遗传物质快速形成新的免疫识别能力。

科学家们认为,这种免疫系统反应了细菌与噬菌体和质粒的协同进化过程。例如,一些病原菌的毒素基因是由噬菌体所编码,如霍乱弧菌和白喉杆菌的主要毒力因子是由噬菌体编码的毒素,这些噬菌体将细菌变成了强致病性的细菌。质粒在不同细菌之间传递耐药性的过程中具有重要作用。对细菌免疫系统的深入研究,有助于人们更深入的了解细菌的进化、耐药基因的传递等信息。

参考文献:

Fineran PC, Gerritzen MJH, Suarez-Diez M. Degenerate target sites mediate rapid primed CRISPR adaptation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014,111 (16) E1629-E1638. DOI: 10.1073/pnas.1400071111

    日期:2014年05月03日  分类:免 疫
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