科学家发现了一种抗 CRISPR 蛋白和细菌防御扩散机制，推进了噬菌体疗法对抗抗生素耐药性感染。
互补的发现有可能增强抗生素耐药性感染的治疗选择。
伊利诺伊大学的研究人员取得了互补的发现，增进了我们对细菌免疫系统的了解，并为对抗抗生素耐药性感染提供了新的策略。
抗生素耐药性细菌通常被称为超级细菌，它们构成严重威胁，因为它们难以治疗，并且可能导致通常可控制的感染死亡率更高。这些发现凸显了对传统抗生素替代品的迫切需求。
噬菌体是一种能够杀死细菌的病毒，是一种强效抗菌剂，可用于治疗感染。然而，细菌拥有一套免疫系统，包括 CRISPR-Cas，可以抵御噬菌体的攻击。这些免疫系统存在问题，因为它们会降低基于噬菌体的治疗方法的疗效。
微生物学副教授 Asma Hatoum-Aslan 研究细菌免疫系统的内部运作，重点是开发有效的噬菌体疗法。她的实验室的研究重点是 CRISPR-Cas 和葡萄球菌中的其他免疫系统，葡萄球菌是一种皮肤细菌，经常导致人类抗生素耐药性感染。她的实验室最近发表的两篇论文描述了第一种 III-A 型抗 CRISPR 蛋白的发现，并揭示了抗病毒免疫系统可以传播并可能损害噬菌体疗法疗效的机制。
近距离了解一种抑制 CRISPR-Cas 免疫力的新型蛋白质CRISPR-Cas 免疫系统使用一种特殊的复合物来检测和破坏来自噬菌体的核酸。该复合物由与一个或多个 CRISPR 相关 Cas 核酸酶结合的小 RNA 组成。
在六种 CRISPR-Cas 系统中，III 型被认为是最复杂的。虽然大多数 CRISPR 系统以DNA或RNA入侵者为目标，但 III 型系统同时以两者为目标。III 型系统也是已知的唯一一种利用第二信使信号机制的 CRISPR 系统，该机制可刺激 Cas 核酸酶，并通过招募通常用于其他细胞活动的管家核酸酶的帮助来提供额外的保护层。因此，III 型 CRISPR-Cas 系统在清除噬菌体感染方面非常有效。
这引发了一个问题：一些噬菌体是否进化出了反击的方法？为了回答这个问题，Hatoum-Aslan 实验室的成员筛选了大量的噬菌体，以了解它们是否能够逃避 III-A 型 CRISPR-Cas 系统，并发现了一种新型的抗 CRISPR 蛋白。他们的研究结果发表在《核酸研究》上，重点介绍了抗 CRISPR 蛋白 AcrIIIA1 结合 CRISPR 相关复合物并阻断其功能的能力。
“获得多种噬菌体是这一初步发现的关键，”Hatoum-Aslan 说：“我开发了一门噬菌体发现课程，自 2016 年以来一直在教授。每年春天，我都会有满满一教室的学生寻找感染葡萄球菌的噬菌体。所以我们从这个仍在增长的大量噬菌体中寻找。”
在识别出具有抗 CRISPR 活性的噬菌体后，研究人员面临的下一个挑战是确定哪些特定基因是罪魁祸首。在筛选了 200 多个基因（其中许多基因的功能未知）后，该实验室成功识别出第一个 III-A 型抗 CRISPR 基因acrIIIA1，Hatoum-Aslan 将此称为“遗传体操”。
通过配对对 CRISPR 系统具有抗性的相关噬菌体，实验室成员缩小了他们感兴趣的位置，将注意力集中在约 2,000 个核苷酸的短片段上。克隆和测试该区域中的多个基因使 Hatoum-Aslan 和她的学生能够确定最终导致抗 CRISPR 活性的基因。
从左到右：Asma Hatoum-Aslan、Motaher Hossain 和 Lucy Chou-Zheng。图片来源：伊利诺伊大学香槟分校
进一步的实验表明，AcrIIIA1 的组成是独一无二的；它是一种小蛋白质，能与小 RNA（包括碎片化的 tRNA）紧密结合，而小 RNA 是细胞蛋白质构建机制的一部分。
“我们并不完全确定这些 RNA 片段是如何帮助噬菌体逃脱 CRISPR 的，但我们认为它们可能通过竞争性抑制间接阻止管家核酸酶降解噬菌体的遗传物质，”Hatoum-Aslan 说：“如果你将受损的 RNA 扔向这些核酸酶以分散它们的注意力，它们就会有其他东西可啃。与此同时，噬菌体得以完成复制并逃脱。”
Hatoum-Aslan 希望利用抗 CRISPR 蛋白改造的噬菌体在治疗应用中能够更有效地治疗抗生素耐药性感染。
“教授‘噬菌体发现’课程的好处之一是积累了这些噬菌体，我们可以与使用噬菌体疗法解决顽固感染的临床医生分享这些噬菌体，”Hatoum-Aslan 说：“我们最近联系了匹兹堡的一位骨科医生，并向他寄送了一些我们从野外捕获的表皮葡萄球菌噬菌体，用于治疗医疗植入物感染的患者。”
该实验室的长期目标是设计出能够通过配备 AcrIIIA1 等蛋白质来克服 CRISPR-Cas 和其他防御手段的治疗性噬菌体。
然而，尽管噬菌体疗法在一些案例研究中显示出了良好的前景，但它尚未成为美国的常规治疗方法。研究人员担心的一个下游问题是细菌使用的抗噬菌体防御数量之多，以及噬菌体抗性机制迅速传播的可能性。在一篇补充论文中，Hatoum-Aslan 实验室深入研究了葡萄球菌中的抗病毒武器库。
调动防御：SCCmec盒作为抗病毒传播的来源为了更好地了解葡萄球菌的全部抗病毒防御机制，Hatoum-Aslan 及其团队在 1,000 多种金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌菌株中确定了所有已知的防御机制及其基因组位置。他们的分析揭示了抗病毒防御机制传播的主要途径。
《自然通讯》杂志刊登的这项分析表明，葡萄球菌的许多防御机制都携带在被称为 SCC mec盒的可移动 DNA 片段中或附近。盒是包含基因簇的离散区域，这些基因簇可以进出基因组。SCC mec盒可以从基因组中切出，也可以作为单个离散元素粘贴回去。这些盒还可以逃离其亲本细菌，转移到附近的不相关细菌中，这一过程称为水平基因转移。
Hatoum-Aslan 表示： “SCC mec盒因传播对甲氧西林的耐药性而臭名昭著，而甲氧西林是我们对抗葡萄球菌感染的最后手段之一。一旦我们意识到这些盒和邻近区域是抗噬菌体防御的热点，我们就想更深入地研究它们对防御运动的影响。”
Hatoum-Aslan 实验室的成员发现，除了剪切和粘贴 SCC mec盒外，SCC mec盒内编码的酶还可以剪切和粘贴携带多个抗噬菌体免疫系统的相邻 DNA 片段。他们还发现噬菌体感染会刺激这些盒从细胞中释放出来，进一步促进它们的扩散。这些发现对噬菌体疗法具有重要意义，因为噬菌体疗法必须应对日益增强的噬菌体抗性。
“关于细菌的抗病毒防御机制，我们还有很多不了解的地方，”Hatoum-Aslan 说：“这是一个完全开放的领域，但瓶颈在于弄清楚防御系统是如何工作的。是什么触发了系统对噬菌体感染的警报？系统如何在防止细胞受损的同时消灭噬菌体？”
展望未来，Hatoum-Aslan 的实验室正在致力于识别和描述新的免疫系统以及噬菌体如何自然适应。
“揭示这一进化过程的细节非常有益，”Hatoum-Aslan 说：“它有助于我们设计出在未来许多年内都有效的治疗性噬菌体。”
参考文献：
“AcrIIIA1 是一种靶向核心 Cas 和辅助核酸酶的蛋白质-RNA 抗 CRISPR 复合物”，作者：Lucy Chou-Zheng、Olivia Howell、Tori A Boyle、Motaher Hossain、Forrest C Walker、Emma K Sheriff、Barbaros Aslan 和 Asma Hatoum-Aslan，2024 年 11 月 18 日，核酸研究。DOI：10.1093/nar/gkae1006
“抗噬菌体防御与葡萄球菌中的 SCCmec 元素的串联动员”，作者：Motaher Hossain、Barbaros Aslan 和 Asma Hatoum-Aslan，2024 年 10 月 12 日，《自然通讯》。DOI：10.1038/s41467-024-53146-z
来源：伊利诺伊大学香槟分校
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