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CRISPR系统重大进展,喜获Cascade复合体结构图

更新日期:2016-02-29      点击次数:1132

  在一项新的研究中,来自美国蒙大拿州立大学、康奈尔大学和约翰霍普金斯大学的研究人员研究了细菌如何抵抗来自病毒的攻击。相关研究结果于2016年2月10日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“Structural basis for promiscuous PAM recognition in type I–E Cascade from E.coli”。蒙大拿州立大学文理学院、农业学院微生物学与免疫学助理教授Blake Wiedenheft及其研究生Paul B.G. vanErp都是这篇论文的作者。

CRISPR系统重大进展,喜获Cascade复合体结构图

  “与人类一样,细菌也会遭受病毒感染”,Wiedenheft说,“zui近,我们发现细菌有复杂的被称作CRISPRs(clustered regularly-interspaced short palindromic repeats,成簇的规律间隔性短回文重复序列)的免疫系统,我们的研究工作旨在了解这些免疫系统是如何工作的。”

  多年来,科学家们就已知道细菌具有抵抗病毒入侵的能力,但认为它们的免疫系统较为原始。然而,zui近几年发现的CRISPRs让人们改变了这种观念。

  “CRISPRs能够让细菌记住之前遇到的病毒,一旦随后再次遇到相同的病原体,就能够快速发起免疫反应”,Wiedenheft说,“这在概念上类似于我们自己的免疫系统。”

  这项研究有助理解CRISPRs如何区分自我的遗传物质和病毒的DNA。如果没有这种区分能力,那么这种抗病毒方法会破坏宿主细胞。

  “[若不能区分,那么]靶向储存在细菌基因组中的外源DNA将会导致杀死细菌或者至少让细菌患病的自身免疫反应。这项研究解释了大肠杆菌中的这种免疫系统如何区分该细菌自身的遗传物质和病毒的遗传物质。”

  “这种与来自康奈尔大学和约翰霍普金斯大学的科学家们的合作是一个的机会产生越来越多的旨在理解DNA检测机制的论文。这种合作为这个领域未来的一些研究工作奠定基础”,van Erp说。

  为了理解这些免疫系统如何区分“自我”的DNA和“非自我”的DNA,研究人员使用了一种被称作X射线晶体分析法的技术构建出大肠杆菌免疫系统的CRISPR相关抗病毒防御复合体(CRISPR-associated complex for antiviral defence, Cascade)识别外源DNA片段时的详细结构图。

  “这些结构图,在概念上类似于建筑施工图,解释了这些抗病毒防御复合体如何发挥作用”,Wiedenheft说,“我们如今正在试图利用这些结构图改造这种系统用于大自然未曾想到的应用。”

  理解细菌中的CRISPRs如何发挥作用有助开发一种变革性的深刻影响生物技术和医学的新技术。在细菌中,CRISPRs结合到外源DNA上,并进行切割,从而阻止它在细菌细胞中建立感染。Wiedenheft说,地理解这种系统如何发挥作用能够让科学家们“改变这些DNA切割系统的用途以便在DNA上进行外科手术”。

  他说,“如今,CRISPR系统已被用于人细胞中,而且我们也能够对这些系统进行编程以便切除和修复人细胞中存在缺陷的DNA。”

  这些技术有潜力用来治疗遗传性疾病,如肌肉营养不良和囊性纤维化。目前,在美国和海外,有大量的商业资金投资于CRISPRs的应用上。

 

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