细菌群体CRISPR-Cas多样性有助限制病毒扩散

沪震实业

2016/04/15 16:32

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在一项新的研究中，来自英国埃克塞特大学等机构的研究人员证实宿主（如细菌）基因多样性通过限制寄生物（如病毒）进化而有助降低疾病扩散。相关研究结果于2016年4月13日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“The diversity-generating benefits of a prokaryotic adaptive immune system”。

宿主多样性能够限制疾病暴发的观点并不新鲜。比如，农业中的作物单种（crop monoculture）因缺乏基因多样性，会受到席卷整个作物群体的严重疾病暴发。但是为何是这样的呢？

这项新研究提供一种答案。为了研究宿主多样性对疾病扩散的影响，研究人员利用一种能够感染和杀死细菌的病毒开展研究。细菌利用一种被称作CRISPR-Cas的适应性免疫系统随机地捕获来自这种病毒的DNA片段，进行自我防御。这种“遗传记忆”保护这些细菌不再遭受未来的相同病毒感染。

CRISPR-Cas产生大量多样性是因为每个细菌捕获不同的病毒DNA片段。因此，在接触到病毒之后，每个细菌具有独特的CRISPR-Cas免疫系统，这就使得细菌群体的多样性比较高。理想的做法就是测试宿主多样性是否和为何限制疾病扩散。

在实验中，研究人员分离出单个细菌，进行单种培养（in monoculture）或者将它们混合在一起形成多样性细菌群体。论文第一作者兼论文共同通信作者、埃克塞特大学生物科学家Stineke van Houte回忆道，“病毒可能在单种细菌培养物中扩散，但是当将单个细菌混合在一起时，这种病毒非常快地灭绝。这揭示出我们的实验系统存在一种较强的单种培养效应。”

接着，研究人员研究了相比于多样性的细菌宿主群体，病毒为何能够非常容易地在单种细菌培养物中持续存活。他们发现这是由于病毒快速地进化，从而能够战胜细菌宿主单种培养物的CRISPR-Cas免疫系统。然而，在混合的细菌群体中，CRISPR-Cas系统具有更多的基因多样性，这种病毒不能够进化出抵抗力，因而，都灭绝了。病毒进化出较高传染性的能力直接取决于宿主基因多样性，因此，将不同的单种细菌培养物混合在一起能够增加细菌群体的整体免疫水平，这一特征被称作群体免疫（herd immunity）。

这项针对细菌和它们的病毒的基础研究所获得的概念上认识可能是普遍性的，因此，这些结论在未来可能能够适用于诸如农业和保育生物学之类的领域。