细菌休眠抑制噬菌体流行病

在我们的鼻子底下，在微生物和它们的病毒入侵者之间发动了一场看不见的战争。为了对抗靶向它们的噬菌体(噬菌体)病毒，细菌已经进化出了多种防御系统，其中包括一系列名为CRISPR-Cas的保护性免疫系统。

在自然中写作，Meeske等。1通过展示靶向噬菌体RNA的CRISPR-Cas系统如何保护细菌免受DNA噬菌体的感染，我们了解了令人难以置信的各种CRISPR-Cas防御系统。作者报告说，这种CRISPR-Cas系统通过释放病毒和细菌RNA的破坏来响应DNA噬菌体，然后导致受感染的细菌细胞进入休眠状态，从而关闭病毒复制所需的细胞过程。Meeske及其同事揭示，这种自我诱导的细菌休眠有助于抑制病毒复制和病毒爆发，包括那些可以逃避其他类型CRISPR-Cas防御的病毒突变体，或与触发休眠的病毒无关的病毒。这个防御反应，

CRISPR-Cas系统分为称为I至VI的六种类型。大多数此类系统捕获并储存病毒DNA的短序列作为噬菌体入侵的遗传“记忆”。这些储存的序列用于产生RNA指导，使得Cas酶能够靶向并降解病毒DNA或RNA。因为它们是破坏病毒RNA唯一的VI型系统是有趣的(图1)，而不是DNA2-5，但大多数噬菌体具有DNA而非RNA基因组。

VI型CRISPR-CAS系统，它使用在CAS酶称为Cas13，先前已被证明2，3对感染由RNA病毒通过激活不加区别(低序列特异性)的形式通过Cas13响应RNA降解活性。另外，当细菌被改造以便Cas13靶向由圆形DNA序列编码的信使RNA称为质粒，细菌生长受损2，6。这表明，在没有噬菌体感染的情况下，Cas13激活及其不加区别的RNA破坏，导致细菌 - 细胞休眠。但是，抗病毒防御过程中休眠的作用(如果有的话)仍然是一个悬而未决的问题。

为了解决这个问题，Meeske等人。研究了使用细菌李斯特菌(Iisterovii)的VI型防御系统和DNA噬菌体φRR4。作者设计了VI型系统以指导Cas13靶向不同的φRR4病毒序列，然后分析该系统如何有效地提供抗病毒防御。当靶向病毒mRNA时，Cas13确实提供了防御，并且令人惊讶地，无论靶向病毒mRNA是否对应于病毒复制必需的基因，或者基因是否在病毒感染期间早期或晚期表达，都实现了保护。在受感染的细胞中也存在广泛的细菌RNA降解，这导致受感染的细菌进入休眠状态，其中细菌细胞存活但不能复制。

这种形式的Cas13诱导的休眠与另一类称为流产 - 感染机制的噬菌体防御系统有很大的相似之处7。如果被病毒感染，携带流产感染系统的细菌进入休眠状态或引发细胞死亡，从而提供人群级抗病毒防御。

病毒感染后Cas13诱导的休眠是否为更广泛的细菌群体提供了一种称为群体免疫的保护形式，其中抗性个体有助于减缓感染对敏感人群的传播?Meeske及其同事证明，具有VI型免疫力的噬菌体感染细菌确实为缺乏针对感染病毒的免疫力的相同菌株的邻近细胞提供了抗病毒交叉保护。作者还观察到，通过在未感染细胞中设计Cas13诱导的休眠，可以产生抑制病毒流行的细菌，这可能是因为这些休眠细胞可以作为病毒无法成功感染的牺牲性“诱饵”细胞，从而消耗病毒群体。 。

IE CRISPR-Cas活性类型的研究8也报道了细菌细胞关闭，但效果可能是由于噬菌体清除不足，导致细菌防御和病毒复制之间的僵局8。相比之下，Meeske等人。证明Cas13诱导的细菌休眠是通过在识别病毒RNA后触发的不加区别的RNA降解的活跃过程发生的。

CRISPR-Cas系统面临的挑战是如果病毒遗传突变体出现以逃避防御系统的识别。梅斯克等人。表明这种突变病毒的爆发受限于导致Cas13诱导的细菌休眠的野生型病毒的存在。同样，作者发现当具有针对φRR4的VI型防御的细菌暴露于无关病毒时，如果细胞也暴露于φRR4，则无关病毒的感染水平降低。这种类型的广谱防御可能提供优于不诱导休眠的CRISPR-Cas系统的优势，并且其中病毒突变体的感染不受野生型病毒的存在的影响。

与其他CRISPR-Cas系统相比，自然界中VI型防御的稀缺性认为VI型策略可能并不总是优越9。实际上，其他CRISPR-Cas系统具有处理突变病毒的方法，例如使用称为引发的反馈环来更新靶记忆10或具有足够的灵活性以识别病毒靶11的突变形式。可能是，与病毒突变体抗争的每种策略在特定的生态环境中具有不同的成本和益处。

Cas13诱导的休眠反应对于VI型系统如何形成病毒感染记忆具有有趣的意义。因为需要病毒DNA或RNA来形成CRISPR-Cas记忆，所以需要病毒感染和随后的细菌 - 细胞存活来更新针对病毒的VI型防御，包括之前未遇到过的病毒和突变病毒10。在II型系统中，有缺陷的病毒感染失败可以允许更新记忆而不会导致细胞死亡12。这也可能为VI型系统提供获取病毒感染新记忆的途径。然而，如果一些病毒感染的细胞清除感染并从Cas13诱导的休眠中恢复，将会更有益。如果休眠有助于细菌在病毒感染中存活，那么预计由VI型系统储存的DNA病毒的细菌记忆将偏向于靶向感染过程早期表达的病毒基因，从而允许快速抑制病毒感染和更大细菌恢复的机会。

有趣的是，作者发现，在没有病毒感染的情况下，通过将Cas13靶向细菌mRNA诱导的休眠可以逆转。然而，细菌细胞是否能够在病毒感染中存活可能取决于在休眠开始之前感染进展的程度。由某些靶向RNA的流产感染系统(如ToxIN)引发的细菌休眠在没有病毒感染的情况下是可逆的7，但不知道这是否也是由病毒感染引发的休眠的情况。III型CRISPR-Cas系统在特异性识别病毒序列后激活导致不加区分的RNA破坏的酶，当病毒感染被抑制时，这种RNA破坏被灭活13。如果细胞可以从由式VI系统引起的休眠“唤醒”，那么也许类似的非特异性RNA降解的时间控制的系统可能负责4，5。或者，其他细菌因子或其他抗病毒防御系统的活性可能有助于病毒感染后的细菌恢复。

Meeske及其同事的研究结果强化了CRISPR-Cas防御系统依赖于环境的观点。需要进一步研究以更好地了解不同细菌中的这些不同防御系统如何处理它们自然遇到的各种噬菌体。