《Nature | 揭开病毒对抗细菌CRISPR免疫系统的全新方式》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2023-10-20
  • 2023年10月18日,丹麦哥本哈根大学和新西兰奥塔哥大学的研究人员在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs 的研究论文。该研究揭示了病毒(噬菌体)抑制细菌的CRISPR-Cas免疫系统的全新方法——基于小非编码RNA的抗CRISPR(small non-coding RNA anti-CRISPR,简称Racr),这也是基于RNA的抗CRISPR的第一个证据。

    研究团队表示,这一发现告诉我们,自然环境中的的微生物动力学,可用于提升基因编辑的安全性,并有望带来更有效的抗生素替代品。这一发现对科学界来说是令人兴奋的,它让我们对如何阻止细菌的CRISPR-Cas防御系统有了更深入的了解。

    该研究为噬菌体与细菌之间的“军备竞赛”提供了全新的见解,这一新发现有望开发出有效调控CRISPR-Cas系统的开关,以提高CRISPR-Cas系统的安全性,也有助于开发更有效的抗生素替代品。

    本文内容转载自“ 生物世界”微信公众号。

    原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/YaiX1-6Gbrtod4Pc7gmJ5w

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    • 编译者:李康音
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    • 本文内容转载自“BioArt”微信公众号。原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/FN4AQoP2qf_m_-7J3_8AxA 2023年11月15日,范德堡大学Eric Skaar课题组皮花亮博士及其合作者们在Nature上发表了文章Clostridioides difficile ferrosome organelles combat nutritional immunity。该研究发现,艰难梭菌在细菌内进行铁的生物矿物化,将铁储存于膜结合的铁质体细胞器中(简称铁质体)。研究同时证明铁质体的化学组成为非结晶磷酸铁生物矿物质。这一发现不仅为深入了解艰难梭菌的铁代谢机制提供了突破,同时也揭示了这一致命病原体如何在宿主体内对于铁的限制。这突破性的研究成果也为全新的抗菌策略的开发提供了可能性。 解析铁质体系统的生理功能并非易事。在铁稀缺条件下,编码铁质体系统的基因高度表达;然而,在铁过量或稀缺条件下,铁质体并未显著促进生长。研究人员进行了多种生长条件的尝试,发现铁质体在从铁稀缺向铁过量转变的过程中发挥了关键作用。研究结果表明,在准备从低铁环境中转变到富铁环境时,艰难梭菌通过诱导铁质体系统的基因表达来有效储存铁,从而防御瞬时的铁毒性。同时,这使得艰难梭菌能够在铁供应不足时使用铁质体的铁来支持其生长。 艰难梭菌的致病性依赖于其获取必需的金属营养元素,尤其是铁,以支持其在宿主中的定植和复制。为了深入研究铁质体对艰难梭菌感染的重要性,研究人员采用了多个老鼠模型,研究了感染期间铁质体系统的体内表达动态,并检测了人类等哺乳动物宿主肠道(包括患有CDI的小鼠和患者)中的金属浓度。此外,研究人员检查了宿主的铁限制响应;这种响应被称为营养免疫,是一种防御机制,通过去除可用的金属营养元素来防止病原体感染。研究数据表明,艰难梭菌的铁质体系统在体内被激活,以与宿主的铁限制竞争,并且在感染期间对细菌的定植和存活至关重要。 这项研究很可能会引起多个领域的广泛兴趣,包括微生物学、纳米技术和生物化工。铁质体还可能被用于开发金属纳米颗粒,例如金属纳米粒子的生产和药物递送囊泡等。在病原体细菌内发现铁质体的这一发现将会重塑我们对感染期间宿主与病原体相互作用以及厌氧微生物如何在宿主内适应金属营养元素水平波动的理解。更重要的是,铁质体系统在艰难梭菌感染中的重要性为其成为治疗该病原体的新靶点奠定了基础。
  • 《Nature | 细菌用DNA糖基化酶抗病毒》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:李康音
    • 发布时间:2024-04-21
    • 2024年4月17日,洛克菲勒大学Luciano A. Marraffini、芝加哥大学Phoebe A. Rice共同通讯在Nature发表题为DNA glycosylases provide antiviral defence in prokaryotes的文章,发现了原核生物利用DNA糖基化酶防御病毒感染的新机制。迄今为止,这些酶在抗病毒免疫方面还不太被认可,然而作者指出其在细菌和噬菌体之间正在进行的进化军备竞赛中发挥着关键作用。通过创新实验方法,该团队绕过了现有基因组数据的限制,探索了环境DNA(eDNA)尚未开发的潜力,发现新的抗病毒防御机制。 这项研究始于一种策略性方法,通过用裂解大肠杆菌T4噬菌体感染携带土壤宏基因组DNA库的大肠杆菌来分离防御基因。该策略鉴定了一种以前未知的DNA糖苷酶Brig1,其特异性靶向并从T4噬菌体基因组中去除α-葡糖基羟甲基胞嘧啶(α-葡糖基hmC)核碱基。当Brig1作用于病毒DNA时,它会产生无碱基位点,有效地阻止病毒复制的进程。Brig1的特异性是显著的:它能够在体外降解T4噬菌体DNA,证明其直接参与阻碍病毒生命周期。经过仔细检查,发现Brig1是一种具有最低裂解酶活性的单功能糖基化酶,这意味着它能切除受损或修饰的碱基,而不会立即切割DNA的磷酸二酯酶骨架。相反,在适当的条件下,它会产生无碱基位点,导致β-消除反应后的双链DNA断裂。 作者通过分离成功绕过酶防御的“逃避者”噬菌体,进一步阐明了Brig1的有效性。对这些逃避者的基因分析揭示了T4α-葡糖基转移酶基因的突变,表明Brig1靶向噬菌体自身引入的葡糖基化标记。重要的是,该研究在不同细菌分支的不同细菌防御基因座中都检测到了Brig1的同源物,表明这些糖基化酶赋予了细菌对一系列T噬菌体的免疫力。Brig1对α-葡糖基hmC的特异性表明,T噬菌体可能进化出了羟甲基胞嘧啶的不同修饰模式,以逃避宿主编码的DNA糖苷酶(如Brig1)的识别和降解。 此外,该研究强调了Brig1和宿主DNA修复途径之间的相互作用。Brig1对病毒DNA的作用导致可能触发宿主修复机制的改变,随后进一步降解噬菌体基因组,从而放大抗病毒反应。 总的来说,这项研究展示了原核生物中一类以前未被识别的抗病毒蛋白——DNA糖基化酶——它们作为分子哨兵防御噬菌体入侵。Brig1及其同源物的发现为未来研究原核宿主及其病毒捕食者之间的动态相互作用开辟了令人兴奋的途径,对生物技术和理解宿主-病毒相互作用的自然进化具有重要意义。这项工作强调了筛选未测序DNA样本以揭示新型免疫系统的能力,并扩展了我们对细菌防御的复杂性和多功能性的了解,还指出存在更广泛的相关糖苷酶家族,每种糖苷酶都可能靶向不同噬菌体群体中hmC核碱基的不同修饰。