Nature发布CRISPR-Cas重要研究发现

　　

生物通报道  由埃克塞特大学的学者们领导的一项新研究表明，遗传多样性通过限制寄生物进化减少了疾病的传播。

宿主多样性可以限制疾病爆发并非是一个新概念。例如，在农业中缺乏遗传多样性的作物单一栽培会遭遇严重的疾病大爆发，席卷整个种群。但为什么会出现这种情况？

由埃克塞特大学领导的这项研究提供了一个答案。为了研究宿主多样性对疾病传播的影响，研究人员利用了一种可以感染和杀死细菌的病毒。细菌借助一种复杂的免疫系统CRISPR-Cas来保护自身，CRISPR-Cas可从病毒中捕获任意的DNA片段。“这一遗传记忆”保护了细菌免于未来的感染。

由于每个细菌捕获了不同的病毒DNA片段，CRISPR-Cas生成了大量的多样性。因此，在病毒暴露后，每个具有CRISPR-Cas免疫的细菌都是独特的，种群中的多样性因此很高。这对于测试宿主多样性是否限制了疾病传播及其原因是理想的。

在他们的实验中，研究人员分离出了单个细菌，将它们或是单一培养，或是在不同种群中将它们混合在一起。Stineke van Houte博士回忆道：“病毒可以在单一培养物上传播，但当将细菌混合在一起时，病毒很快就灭绝了。这揭示出了我们的试验系统中强有力的单一培养效应。”

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接下来，研究人员调查了相比于多样的细菌宿主群体，病毒更容易存留于单一培养物上的原因。他们发现这是因为病毒发生了快速进化，克服了细菌宿主单一培养物的CRISPR-Cas免疫。而对于CRISPR-Cas系统具有更多遗传多样性的混合菌群，病毒无法进化，因此灭绝了。因此，研究证实病毒进化出高感染力的能力直接取决于宿主遗传多样性的水平。因此，将单一培养物混合在一起可以从整体上提高群体的免疫水平，这一特征称作为群体免疫。

从这一针对细菌和病毒的基础研究中获得的概念认知有可能是普遍的，因此研究结果有可能未来在农业及保护生物学中获得应用。

CRISPR-Cas原本是细菌抵御病毒的重要武器，现在它已经成为了基因组编辑的强大工具。风头正劲的CRISPR-Cas不仅操作简便，而且还有着很强的可扩展性，被广泛应用到各种生物中，催生了大量的研究成果。不过，人们还不完全清楚CRISPR-Cas的作用机制，这无疑是该技术进一步发展的一大障碍。加州大学伯克利分校的科学家们为此展开了深入研究，揭示了CRISPR-Cas9准备剪切DNA时的关键分子结构，达到了3.4 Å的超高分辨率。这项研究于2016年1月发表在Science杂志上（CRISPR先驱Science再发重量级成果 ）。

作为新一代基因组编辑技术先锋，CRISPR炙手可热，这种最初被微生物学家用以了解细菌免疫力的技术方法在过去的5年里，研究人员已经转而将CRISPR/Cas9发展为生物学研究的有力工具。来自加州大学伯克利分校，霍德华休斯医学院等处的研究人员破解了关键酶Cas9识别全基因组中靶标的重要机制，这将有助于更有效的完善CRISPR基因编辑技术。 这一研究成果公布在2015年11月12日的Science杂志上（Nature，Science揭示CRISPR“跳过”机制 ）。

来自哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校的研究人员在新研究中揭示出了，大肠杆菌CRISPR-Cas系统监视及加工外源DNA的机制。这项研究工作发布在2015年11月的Cell杂志上（CRISPR先驱Cell发表新成果）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

The diversity-generating benefits of a prokaryotic adaptive immune system, Nature.

Prokaryotic CRISPR-Cas adaptive immune systems insert spacers derived from viruses and other parasitic DNA elements into CRISPR loci to provide sequence-specific immunity1, 2. This frequently results in high within-population spacer diversity3, 4, 5, 6, but it is unclear if and why this is important. Here we show that, as a result of this spacer diversity, viruses can no longer evolve to overcome CRISPR-Cas by point mutation, which results in rapid virus extinction. This effect arises from synergy between spacer diversity and the high specificity of infection, which greatly increases overall population resistance. We propose that the resulting short-lived nature of CRISPR-dependent bacteria–virus coevolution has provided strong selection for the evolution of sophisticated virus-encoded anti-CRISPR mechanisms7.