细菌|CRISPR的诺奖是否发早了？Cell论文揭示细菌的另一种防御系统，具有基因编辑潜力
2020年10月7日 ， 2020年诺贝尔化学奖揭晓 ， 由两位女科学家——Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna获得 ， 以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法” ， 即CRISPR/Cas9基因编辑技术 。
基于这项由细菌/古菌的防御系统改造而来的技术 ， 研究人员能以极高精度改变动物、植物和微生物的DNA ， 并有望更改某些生物的生命周期 。 然而 ， 值得注意的是 ， 自然界中潜在的基因编辑工具并不止于CRISPR ， 还有更多的工具仍有待人类开发！
2020年11月5日 ， 以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense 的研究论文 。
【细菌|CRISPR的诺奖是否发早了？Cell论文揭示细菌的另一种防御系统，具有基因编辑潜力】这项研究发现并描述了一种特殊的细菌保护系统——反转录子（retron） ， 它可以通过触发被感染的细菌进行自我毁灭 ， 从而使得噬菌体无法复制并传播给其他细菌 。 同时 ， 这也是首次具体确定了反转录子（retron）的自然功能 ， 并有望将其开发为精确、高效的基因组编辑工具 。
文章图片
反转录子（retron）是细菌的遗传元件 ， 由逆转录酶（RT）和非编码RNA（ncRNA）组成 。 逆转录酶（RT）以非编码RNA（ncRNA）为模板 ， 生成一个嵌合的RNA/DNA分子 ， 其中RNA和DNA组分共价连接 。 值得一提的是 ， 虽然反转录子在30年前就被发现了 ， 但它们的许多功能仍然未知 。
实际上 ， 就像CRISPR一样 ， 反转录子也是细菌免疫系统的一部分——保护细菌免受一种被称作“噬菌体”的病毒的攻击 。
近年来 ， 研究人员一直在改造反转录子 ， 并试图将这种由DNA、RNA和蛋白质组成的神秘复合物转化为潜在的、可以用来改变单细胞生物基因组的新型基因编辑工具 。
文章图片
反转录子的组成
在这项研究中 ， 研究团队首次具体证实了反转录子作为抗噬菌体防御系统的功能 。 研究人员检查了多个反转录子系统 ， 并发现它们可以通过诱发被感染细菌自我毁灭 ， 从而提供一种针对广泛噬菌体的防御机制 。
研究人员聚焦于反转录子 Ec48——这是一个在细菌中具有中心抗噬菌体功能的复合体 ， 并发现了它可以保护同源重组蛋白RecBCD的证据 。 噬菌体蛋白对RecBCD的抑制激活了反转录子 ， 导致流产感染和细胞死亡 。
简而言之 ， 如果细菌细胞壁等构造是第一道防线 ， 那么反转录子 Ec48 则形成了第二道防线 。 当第一道防线崩溃时 ， 则会触发第二道防线 。
文章图片
反转录子保护细菌免受噬菌体侵害
更重要的是 ， 对反转录子自然功能的新理解可以促进它们投入新的应用 。 对此 ， 本研究的通讯作者Rotem Sorek表示：“反转录子将会是精确、高效的基因组编辑工具 ， 但现在它们还无法与CRISPR匹敌 ， 部分原因是这项技术尚未在哺乳动物细胞中发挥作用 。 ”
文章图片
那么 ， 反转录子又是如何被发现并被在基因编辑领域寄予厚望呢？
上世纪80年代 ， 研究土壤细菌的研究人员困惑地发现 ， 许多单链DNA短序列散布在细菌的细胞质中 。 紧接着 ， 研究人员发现每一个DNA片段都会与带有互补碱基序列的RNA相连 ， 这使得他们意识到一种叫做逆转录酶的酶从附着的RNA中合成了DNA ， 并由此形成了一个由RNA、DNA和酶组成的复合体 。