当异物攻击时,构成我们免疫系统的分子民兵就会开战。在混乱的战斗中,这个骑兵必须小心不要对自己的士兵开火;从人类到细菌的各种生物体已经发展出特殊的机制来避免这种混淆。洛克菲勒科学家的一项新研究描述了一种策略,通过这种策略,细菌可以区分自己的部队和恶意入侵者,例如病毒。这项发表在Molecular Cell上的研究表明,蛋白质Cas10通常是无害的,但在面对外来遗传物质时会变成酶刺客。

独特的防线

细菌保护自身的一种方式是通过使用CRISpR,或聚集有规律的间隙短回文重复序列和相关的Cas蛋白。这些系统不仅可以抵御病原体,还可以记忆它们:当一种细菌受到攻击时,它会复制并储存一部分入侵者的DNA。这种称为间隔区的基因序列有助于细菌在下次攻击时识别入侵者。一旦检测到侵入者,Cas酶会溶解其DNA。作为一个不断发展的领域,CRISpR研究有助于了解细菌如何获得对病毒的免疫力,以及这种免疫如何影响微生物的进化。科学家已经确定了几种类型的CRISpR系统,包括II型,由于其在基因编辑技术中的应用,最近引起了人们的极大关注。然而,Shixin Liu教授对一种研究较少的系统感兴趣,该系统称为III型,他说,“它是存在的最迷人的CRISpR系统”。

在与Luciano Marraffini教授交谈之后,刘先生对III型的热情出现了,他的实验室致力于理解CRISpR-Cas系统。2017年,Marraffini及其同事表明,III型系统具有独特的能力,不仅可以针对单个入侵者序列,而且可以针对遗传主题进行变异。这意味着即使病毒发生变异,CRISpR-Cas仍然可以识别并破坏其DNA。“对于其他系统,你的目标序列中只有一个突变,通常会失去免疫力,”刘说。“但是使用Cas10酶的III型系统,即使目标有多个突变,也会有效。”与其他CRISpR类型的酶相比,Cas10在相对广泛的靶标上发射;然而,它设法避免伤害细菌自身的DNA。刘先生想知道,III型复合体如何区分自我和其他?

避免友好的火灾

与Marraffini和博士后研究员Ling Wang一起工作,Liu开始更好地了解Cas10如何与不同种类的RNA相互作用。他们使用单分子荧光显微镜分析了酶的动力学,这种技术可以让研究人员跟踪分子随时间的变化。研究人员发现,当Cas10暴露于入侵者的RNA时,酶的结构呈现出新的形态。并且,刘说,当Cas10循环通过各种构象时,它间歇性地进入活跃状态,这使得酶具有DNA溶解能力。相反,当Cas10遇到“自身”RNA时,酶被锁定在非活性位置,这阻止了DNA的任何切割和切片。刘说,这些结果解释了III型系统如何避免自毁行为。“我们不希望Cas10随意切割DNA。它的活动必须受到监管,”他说。“而且看起来这种酶只有在从非活性配置中解锁时才有效。”

研究人员还发现,当Cas10暴露于突变的敌人RNA时,酶可以弯曲成有限数量的活性形状。随着Cas10的延展性降低,细菌免疫反应的强度也随之降低。这些研究结果表明,强大的免疫反应取决于Cas10的活动能力:当酶能够自由摆动时,它会在活跃状态下花费更多时间,从而更多时间降解危险的DNA。刘还指出,即使酶失去了一些灵活性,它也不会完全丧失其伤害入侵者的能力。“这些结果表明,免疫力不是二元性的,”他说。“相反,当外源RNA发生变异时,免疫力的强度会逐渐变化。”该研究有助于解释III型系统的独特靶向策略,并有助于持续了解CRISpR-Cas免疫如何影响细菌的进化。