CRISPR-Cas9技术先驱Nature发文：细菌如何识别病毒入侵并激活免疫防御

地球上没有任何一种生物的生命是不受威胁——包括细菌。被称为噬菌体的掠食性病毒是它们最可怕的敌人之一，它们渗透到细胞中进行复制并接管。细菌已经进化出了一系列对抗这些感染的策略，但它们是如何首先发现入侵者的一直是个谜。

现在，洛克菲勒大学细菌学实验室的研究人员发现，细菌通过一种名为CBASS的防御反应来感知噬菌体，这种反应可以检测病毒RNA，有朝一日，这一发现可能有助于对抗抗生素耐药性的威胁。他们在《自然》杂志上发表了研究结果。

该实验室的负责人Luciano Marraffini说:“多年来，CBASS是如何被噬菌体感染激活的，这在我们的领域一直是一个很大的未知数。到目前为止，还没有人知道是什么触发了细菌启动CBASS免疫反应。”

跨越遥远疆域的亲缘关系

从真核生物(具有膜结合核的生物)，如哺乳动物、植物和真菌，到原核生物(没有膜的生物)，如细菌和古细菌，一些核心的免疫功能在相距遥远的生命领域是共享的。这些免疫反应一定是在生命出现的早期就进化出来的。

一个保守的特征是病毒的感知机制，它依赖于一种称为环化酶的特殊酶。在动物中，它被称为cGAS(环GMP-AMP合成酶)。在细菌中，类似 cGAS 的环化酶是 CBASS（基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统）免疫反应的核心成分。两者都是在过去十年才被发现的。

“CBASS环化酶被认为是cGAS的古老祖先，”共同第一作者、医学博士Dalton Banh说。

但它们之间也有一些不同。在受感染的动物中，cGAS在细胞质中感知病毒DNA，细胞质是包围细胞核的细胞中的凝胶状液体;在未感染的生物体中，DNA被限制在细胞核内。它出现在其他地方表明出了问题。

然而，由于细菌没有细胞核，它们必须采取另一种方法。如果CBASS仅仅对DNA的存在作出反应，就会导致猖獗的自身免疫，或者细菌攻击自己，Banh说。

“这是一个难题，CBASS环化酶看起来很像cGAS，所以它们必须感知到什么。但究竟是什么呢?”

RNA探测器

为了找到答案，研究人员和他们在Sean Brady基因编码小分子实验室的合作伙伴们重点研究了裂殖葡萄球菌（Staphylococcus schleiferi）的CBASS系统，这是一种常见于狗、猫和其他动物口腔中的细菌，在极少数情况下会传染到人类身上。

Marraffini是研究细菌防御系统(主要是CRISPR-Cas)的先驱，由于他的实验室多年来在这项工作中使用了多种葡萄球菌菌株，因此该团队手头上有很多葡萄球菌噬菌体。Banh筛选了它们被CBASS抑制的能力。他瞄准了一组被防御系统发现的噬菌体。Banh说:“这让我们假设，这些敏感的噬菌体在感染过程中产生了某种东西，引发了CBASS的激活。”

接下来，共同第一作者Cameron Roberts博士生仔细测试了细菌或病毒产生的各种分子，包括DNA, RNA和蛋白质。

实验表明，只有噬菌体感染过程中产生的RNA才能引发免疫反应。“很明显，病毒RNA是在感染过程中产生的，因此，CBASS不像cGAS那样感知DNA错误定位，而是感知特定的RNA结构。这种特异性是惊人的。”

他们将新发现的发夹状分子 cabRNA（读作 "cab-R-N-A "或 "cabernet"）命名为 CBASS 激活噬菌体 RNA。这种分子与环化酶的表面结合，触发一种叫做cGAMP的信使分子的产生，这种信使分子可以激活CBASS免疫反应。

“这是一个非常简单而精妙的实验，它给了我们关键的发现，”Marraffini说。

这与人类的类似系统的运作方式也有相似之处。在检测到病毒DNA后，cGAS还触发cGAMP的产生，cGAMP诱导免疫系统产生I型干扰素。这种抗病毒信号通路被称为cGAS-STING。

未来的可能性

在未来的研究中，Roberts将继续分析cabRNA的特性。“两大问题是噬菌体如何以及为什么产生cabRNA——它的作用是什么? cabRNA如何与CBASS酶相互作用的细节也不清楚。因此，解决与cabRNA结合的酶的结构将是一项巨大的壮举。”

不引发CBASS反应的噬菌体可能有一天会在对抗抗微生物细菌方面发挥作用。“现在，我们还不知道哪些噬菌体有cabRNA，哪些噬菌体没有，”Marraffini说，“但如果我们能做到这一点，我们就有可能利用这些噬菌体来攻击细菌，因为它们已经知道如何避开这种感应机制。”