Nature：以彼之道，還施彼身！揭開病毒對抗細菌CRISPR免疫系統的全新方式

　　噬菌體（Phage）和其他可移動遺傳元件（MGE）對細菌施加了巨大的選擇壓力，作為回應，細菌也發展出了廣泛的防御機制。其中最我們熟知的就是——CRISPR-Cas系統，這是一組在細菌中廣泛存在的RNA引導的適應性免疫系統。

　　CRISPR-Cas系統的特異性和可編程性導致了基因組編輯、分子診斷等各種生物技術應用的發展。2020年，Emmanuelle Charpentier 和 Jennifer Doudna 因開發了CRISPR-Cas基因編輯技術而榮獲諾貝爾化學獎。而此時距離她們首次解析CRISPR-Cas系統的作用機制僅僅8年時間。

　　2023年10月18日，丹麥哥本哈根大學和新西蘭奧塔哥大學的研究人員在國際頂尖學術期刊 Nature 上發表了題為：Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs 的研究論文。

　　該研究揭示了病毒（噬菌體）抑制細菌的CRISPR-Cas免疫系統的全新方法——基于小非編碼RNA的抗CRISPR（small non-coding RNA anti-CRISPR，簡稱Racr），這也是基于RNA的抗CRISPR的第一個證據。

　　研究團隊表示，這一發現告訴我們，自然環境中的的微生物動力學，可用于提升基因編輯的安全性，并有望帶來更有效的抗生素替代品。這一發現對科學界來說是令人興奮的，它讓我們對如何阻止細菌的CRISPR-Cas防御系統有了更深入的了解。

　　CRISPR-Cas是細菌和古菌的免疫系統，可以保護它們免受病毒——噬菌體的感染。它的工作原理是在噬菌體入侵時獲取其DNA片段，并將其添加到細菌基因組中。細菌最終會擁有一個曾經噬菌體感染的記憶庫，記憶庫中新增的部分被CRISPR重復序列分開。當噬菌體再次發動攻擊時，該系統就會快速識別和降解特定的噬菌體。

　　有趣的是，噬菌體也進化出來不同的方法來克服細菌的這種防御系統。它們之間一直在進行著進化的軍備競賽，細菌擁有CRISPR-Cas，而噬菌體則擁有抗CRISPR（anti-CRISPR）。早在2013年，多倫多大學的 Alan Davidson 教授團隊就在 Nature 期刊發表論文【2】，發現噬菌體進化出了基于蛋白質的抗CRISPR來克服細菌的CRISPR-Cas系統。

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　　之前的研究顯示，一些噬菌體的基因組中也有著CRISPR重復序列。而這項最新研究發現了一種基于小非編碼RNA的抗CRISPR（small non-coding RNA anti-CRISPR，簡稱Racr），Racr模擬在細菌的CRISPR陣列中發現的重復序列，并作為孤立重復單元編碼在噬菌體基因組中。

　　研究團隊發現，噬菌體編碼的Racr通過與Cas6f和Cas7f特異性相互作用，強烈抑制I-F型CRISPR-Cas系統，導致異常的Cas亞復合物的形成，它們作為誘餌，破壞細菌的CRISPR-Cas防御系統。研究團隊進一步確定了幾乎所有由多種病毒和質粒編碼的CRISPR-Cas類型的Racr候選基因，通常是在其他抗CRISPR基因的遺傳背景下。

　　論文通訊作者 Rafael Pinilla-Redondo 教授表示，噬菌體自身的基因組中含有細菌CRISPR-Cas系統的成分，它們利用這些分子模擬物來沉默細菌的免疫系統，并允許噬菌體復制。

　　這項發現是基于RNA的抗CRISPR的第一個證據，這比之前發現的基于蛋白質的抗CRISPR具有更短的基因序列。并且由于它們是基于已知的CRISPR重復序列，我們有可能為所有CRISPR-Cas系統及其特定應用設計RNA抗CRISPR。

　　科學家們之所以對CRISPR-Cas如此感興趣，是因為其可編程的、精確的基因組編輯能力。而抗CRISPR（anti-CRISPR）可以作為調控或關閉CRISPR-Cas系統的安全開關，這有助于提高CRISPR-Cas系統用于基因組編輯和基因治療時的安全性和治療效果。

　　除此之外，噬菌體可以用作殺死致病菌的抗菌劑，作為抗生素的替代品，尤其是用于治療超級耐藥菌感染。但是如果被感染的細菌具有活性CRISPR-Cas系統，那么就需要具有對應的抗CRISPR的噬菌體來對付它們。

　　總的來說，該研究為噬菌體與細菌之間的“軍備競賽”提供了全新的見解，這一新發現有望開發出有效調控CRISPR-Cas系統的開關，以提高CRISPR-Cas系統的安全性，也有助于開發更有效的抗生素替代品。