CRISPR的诺奖是否发早了？Cell论文揭示细菌的另一种防御系统，有基因编辑潜力

作者|nagashi   来源|学术观察(ID：gh_7759ccd6957e)

2020年10月7日，2020年诺贝尔化学奖揭晓，由两位女科学家——Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna获得，以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法”，即CRISPR/Cas9基因编辑技术。

基于这项由细菌/古菌的防御系统改造而来的技术，研究人员能以极高精度改变动物、植物和微生物的DNA，并有望更改某些生物的生命周期。然而，值得注意的是，自然界中潜在的基因编辑工具并不止于CRISPR，还有更多的工具仍有待人类开发！

2020年11月5日，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为：Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense 的研究论文。

这项研究发现并描述了一种特殊的细菌保护系统——反转录子（retron），它可以通过触发被感染的细菌进行自我毁灭，从而使得噬菌体无法复制并传播给其他细菌。同时，这也是首次具体确定了反转录子（retron）的自然功能，并有望将其开发为精确、高效的基因组编辑工具。

反转录子（retron）是细菌的遗传元件，由逆转录酶（RT）和非编码RNA（ncRNA）组成。逆转录酶（RT）以非编码RNA（ncRNA）为模板，生成一个嵌合的RNA/DNA分子，其中RNA和DNA组分共价连接。值得一提的是，虽然反转录子在30年前就被发现了，但它们的许多功能仍然未知。

实际上，就像CRISPR一样，反转录子也是细菌免疫系统的一部分——保护细菌免受一种被称作“噬菌体”的病毒的攻击。

近年来，研究人员一直在改造反转录子，并试图将这种由DNA、RNA和蛋白质组成的神秘复合物转化为潜在的、可以用来改变单细胞生物基因组的新型基因编辑工具。

反转录子的组成

在这项研究中，研究团队首次具体证实了反转录子作为抗噬菌体防御系统的功能。研究人员检查了多个反转录子系统，并发现它们可以通过诱发被感染细菌自我毁灭，从而提供一种针对广泛噬菌体的防御机制。

研究人员聚焦于反转录子 Ec48——这是一个在细菌中具有中心抗噬菌体功能的复合体，并发现了它可以保护同源重组蛋白RecBCD的证据。噬菌体蛋白对RecBCD的抑制激活了反转录子，导致流产感染和细胞死亡。

简而言之，如果细菌细胞壁等构造是第一道防线，那么反转录子 Ec48 则形成了第二道防线。当第一道防线崩溃时，则会触发第二道防线。

反转录子保护细菌免受噬菌体侵害

更重要的是，对反转录子自然功能的新理解可以促进它们投入新的应用。对此，本研究的通讯作者Rotem Sorek表示：“反转录子将会是精确、高效的基因组编辑工具，但现在它们还无法与CRISPR匹敌，部分原因是这项技术尚未在哺乳动物细胞中发挥作用。”

那么，反转录子又是如何被发现并被在基因编辑领域寄予厚望呢？

上世纪80年代，研究土壤细菌的研究人员困惑地发现，许多单链DNA短序列散布在细菌的细胞质中。紧接着，研究人员发现每一个DNA片段都会与带有互补碱基序列的RNA相连，这使得他们意识到一种叫做逆转录酶的酶从附着的RNA中合成了DNA，并由此形成了一个由RNA、DNA和酶组成的复合体。

随后科学家们发现这一复合体即是反转录子（retron），且实际上是一种新的、阻止噬菌体感染的细菌防御系统。

反转录子实际上是一种新的、阻止噬菌体感染的细菌防御系统

值得注意的是，CRISPR靶向性很强，但到目前为止，它还不太擅长在目标DNA中引入新编码。与之相对，反转录子可以通过逆转录酶制造大量靶标序列的副本，这些副本可以被有效地拼接到宿主基因组中。

因此，如果能将反转录子与CRISPR整合在一起，那么或许能开发出一种全新的、功能更强大的基因编辑工具。

实际上，早在2018年，斯坦福大学的 Hunter Fraser 等人就推出了一款基于反转录子的碱基编辑器，名为CRISPEY。

CRISPEY原理并不复杂，研究人员首先制造了与酵母基因匹配但带有一个点突变的RNA，然后通过CRISPR-Cas系统靶向该酵母基因。一旦Cas9切断DNA，细胞的DNA修复机制就会用反转录子的逆转录酶产生的DNA取代原来的酵母基因，从而引入新的突变。

基于此，该研究团队通过CRISPEY高效构建了成千上万的酵母突变体，每个突变体只有一个碱基不同。这使得研究人员迅速了解哪些碱基是酵母代谢成长所必需的。

Retron + CRISPR = CRISPEY

无独有偶，由哈佛大学 George Church 和麻省理工学院 Timothy Lu 领导的另外两个研究团第也在细菌中做出了类似的研究，并发表在预印本平台bioRxiv上。

总而言之，这项研究首次具体确定了反转录子（retron）的自然功能——细菌用来抵御噬菌体的防御系统，并可能应用于开发新型基因编辑工具。

正如合成生物学家 Anna Simon 所说：“反转录子（retron）可能会像CRISPR一样具有革命性，但在我们对它有更多了解之前，一切还很难说。”

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065

https://www.sciencemag.org/news/2020/11/microbes-mystery-dna-helps-defeat-viruses-and-has-genome-editing-potential

编者按：本文转载自微信公众号：学术观察(ID：gh_7759ccd6957e)