CRISPR模型 噬菌体共同进化解释了令人困惑的实验结果

莱斯大学的一项研究表明，计划使用CRISPR基因组编辑系统生产设计师肠道细菌的研究人员可能需要考虑微生物免疫系统的动态演变。

CRISPR是一种获得性免疫系统，允许细菌和其他单细胞生物储存DNA片段，以保护自己免受噬菌体病毒的侵害。该系统允许细胞“记住”并对其先前曾与之抗争的噬菌体进行防御。

从2012年开始，科学家发现他们可以使用CRISPR蛋白精确编辑细菌以及动物和人类的基因组。该发现在2015年获得了科学杂志的年度突破，最终可以让科学家重新编程遗传病患者的细胞。

尽管使用CRISPR进行基因组编辑方面取得了快速进展，但科学家仍然对CRISPR防御如何在细菌和其他单细胞原核生物中进化有许多疑问。来自Rice的物理学家和生物工程师Michael Deem于2010年首次被吸引到CRISPR，并创建了许多计算机模型来探索CRISPR的内部运作。

在“皇家学会界面杂志”的一项新研究中，Deem和前研究生Pu Han发现噬菌体和细菌之间存在着微妙的相互作用，这种相互作用可能会发生变化，这取决于两者相遇的频率以及每一种疾病的防御速度。另一个。该研究记录了细菌和噬菌体之间奇怪的存活 - 消退模式，这有助于解释阻碍CRISPR研究人员的看似相互矛盾的实验结果。

“噬菌体和细菌之间存在共同进化，”Deem说。“这些细菌含有来自噬菌体的DNA，这可以保护细菌或其后代免受这些噬菌体的侵害。

Like all living things, phages, which attack only single-celled organisms, are constantly evolving. Deem said the rate at which they mutate and change their DNA sequence is one variable that can affect how well CRISPR can recognize and fight them. Another factor that must be taken into account in modelling CRISPR is that the limited space available for storing phage DNA. CRISPR is constantly acquiring new snippets and throwing out old ones. An additional parameter is the encounter rate, or how often the bacteria and phages come into contact.

“如果我们根据包含这些参数的简单模型绘制结果，我们会看到结果分为三个区域或阶段，其中一个是CRISPR胜出并驱使噬菌体灭绝，一个噬菌体获胜并杀死灭绝的噬菌体。细菌和第二阶段两者并存，“迪姆说。

物理学家经常使用这种相图来探测系统的动态。通过改变相遇和突变率，科学家们可以探索特定组合如何将系统从一个阶段驱动到另一个阶段。

在这项新研究中，现在是谷歌软件工程师的Deem和Han发现，遇到和突变率的某些组合产生了意想不到的结果，一个五区域相图，其中噬菌体两次繁殖，两次几乎被杀死，谢谢探讨CRISPR添加滴速率与细菌暴露于噬菌体的速率之间复杂的相互作用。

“一般来说，我们可能会预计，在高暴露率下，CRISPR免疫系统会驱使噬菌体灭绝，因为它经常会遇到它们，足以在CRISPR中获得DNA的当前副本，”Deem说。“在我们的相图中，我们将其称为第四区域，我们的第一个有趣的发现是，虽然在这种情况下可能会灭绝，但我们可以计算出一个概率，即噬菌体会逃逸而不会灭绝。这种自然变异是有意义的。

“第二点是，当我们降低噬菌体对细菌的暴露率时，现在每单位时间感染细菌的噬菌体就越来越少，细菌减少了从噬菌体中获取DNA的机会，噬菌体现在可以与细菌共存“他说。“我们把这个地区称为三个。所以，我们已经从灭绝变为非灭绝，我们现在已经共存。这是预期的，也是非常合理的。

“令人惊讶的是，我们发现降低暴露率甚至更多 - 细菌现在将DNA复制到CRISPR的机会更少 - 导致噬菌体灭绝的另一个阶段。这是第二区域。人们不会想到这一点。“

在检查这一结果时，Deem和Han发现第二次灭绝事件的发生是因为感染率和细菌生长率是相同的，并且任何对噬菌体获得免疫力的细菌都会迅速繁殖，以超过所有其他细菌和噬菌体。在这种灭绝事件中，CRISPR中的单拷贝病毒DNA允许细菌击败噬菌体。这与第四区域 - 高暴露情况不同 - 其中CRISPR中的许多DNA拷贝允许多种细菌菌株击败噬菌体。

Deem表示，这些结果有助于解释之前与CRISPR研究界混淆的实验结果。

“关于CRISPR是否可以控制噬菌体以及在什么情况下导致共存存在一些争议，”Deem说。“其原因在于各种实验产生了区域2,3和4的结果。我们的结果澄清了可能性的范围，并确认该范围至少已部分测量。”

Deem表示，这些发现仅适用于CRISPR在细菌和原核系统中的应用。如果研究人员试图使用CRISPR基因编辑工具来修饰这些生物或影响它们的噬菌体，则应考虑动态。

“例如，人们最终将开始编辑微生物组，有益肠道细菌和噬菌体的社区，这有助于保持人们的健康，”Deem说。“现在正在进行大量工作来设计微生物组以使人们更健康，控制肥胖或情绪。对于那些对噬菌体 - 微生物组相互作用感兴趣的人来说，重要的是要考虑到这些进化的微妙之处。“