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CRISPR/Cas9有望解决日益突出的抗生素耐药性问题

标签: 发布时间:2017-11-07

在CRISPR成为基因组编辑的超级巨星之前,它还有一个基本功能,那就是保护细菌免受噬菌体的入侵。如今,研究人员决定以其人之道还治其人之身,希望用CRISPR来解决日益突出的抗生素耐药性问题,并试图改造人类的微生物组。

回归天然

Rodolphe Barrangou是北卡罗来纳大学的一名研究人员。十多年来,他一直在研究CRISPR在细菌和古细菌中的功能。因此,当这个系统成为基因组编辑工具时,他迫不及待要尝试一下。他的团队利用CRISPR来切割各种序列,但是在靶向细菌染色体时,大多数细胞死亡。“死亡才是主要的后果,编辑只是副作用,因为细菌中的DNA修复不如真核生物先进。不过,我们意识到我们可以利用这个来杀死细菌,而不是编辑。”

当噬菌体感染细菌或古细菌时,CRISPR系统将噬菌体DNA片段存储为一种免疫记忆。然后,细胞从存储的序列中转录向导RNA,将其与Cas酶配对,对细胞进行严密监控,以防止入侵者再次来袭。当RNA发现其配对时,Cas切割噬菌体DNA,防止其复制。

Barrangou的团队认为,如果他们能够提供细菌特异的向导RNA,则可以诱发天然的CRISPR系统去切割那些携带抗生素抗性基因的质粒,甚至是切断细胞本身的染色体,选择性地去除群体中的某些细菌。

2014年,Barrangou及其同事在《mBio》期刊上发表了原理证明的文章。研究表明,通过天然的CRISPR系统或向细胞中导入CRISPR组分,可以诱导细胞死亡。这种方法使他们能够特异性地去除混合培养物中的某些细菌,并滴定细胞死亡水平。有了这些成果在手,研究人员认识到让CRISPR方法成为新一类抗生素的潜力。

“CRISPR的美妙之处就在于它能够攻击和杀死抗生素耐药细菌,就像抗生素敏感细菌那么轻松。另一方面,CRISPR可以只针对病原体,从而保留我们的天然细菌以及它们的健康益处。”北卡罗来纳大学的另一名研究人员Chase Beisel谈道。

避免耐药

为了让CRISPR系统成为“抗生素”,研究人员选择了几种不同的导入方式,噬菌体是最有希望的一种。Beisel认为,噬菌体的挑战在于,它们是高度复杂的系统,尚未被广泛改造。“我们仍然在学习如何改造噬菌体,以便可靠地包装感兴趣的DNA,并导入一组特定的细菌,”他说。研究团队目前正在改造识别细菌的噬菌体尾丝,希望扩大CRISPR抗生素的潜在目标。

许多烈性噬菌体带有天生的杀菌特性。杜克大学的Dave Ousterout计划将此纳入他的CRISPR抗生素设计,以便提高治疗效果。尽管烈性噬菌体可以自己杀死细胞,并具有出色的安全性,但它们需要在宿主细胞内复制才能发挥作用,而它们的宿主范围有限,不容易改变。在它们身上使用CRISPR,一方面避免了复制的需要,另一方面也绕开了噬菌体增殖所带来的监管问题。

“有了CRISPR武装的噬菌体,这些疗法可以进一步开发和优化,针对那些更传统的药代动力学参数,如持久性、时间和浓度,”Ousterout解释说。

一切听起来都不错,但所有的抗微生物制剂都面临着强大的选择压力,也提高了细菌形成耐药性的可能。不过,CRISPR是如此灵活,研究人员也许能够领先一步,并快速设计出新一代的CRISPR抗生素,来打败细菌的进化。

“我们对CRISPR-Cas3非常有信心,因为它能够同时靶定基因组中的许多位点,从而避开潜在的耐药机制,”Ousterout说。在杀死细胞上,Cas3是比Cas9更好的选择。Cas9常用于基因组编辑任务,产生细菌可以修复的双链断裂,而Cas3的切割是不可修复的。“我们的方法依赖噬菌体的混合物,它们以不同的方式靶定细菌。总而言之,这些方法将减轻快速耐药的机会。”

改造微生物组

尽管开发新一类的抗生素对人类健康来说是重中之重,但是这种技术的应用可能远远不止治疗细菌感染。近年来,微生物组几乎与CRISPR齐名,它们能够以惊人的方式影响人类健康,包括代谢、心脏功能,以及神经退化和精神健康。

许多研究人员看到了改造微生物组的潜力。粪便移植和益生菌已被证明是有用的,但这些疗效也许只是暂时的,因为选择压力可能会将细菌群体推回原先的平衡。“这种技术有望在复杂的环境下实现特定物种的选择性去除,如微生物组,”Ousterout说。


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