CRISPR技术在抗菌素耐药性中的应用
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在一篇新的研究综述中,布拉格查尔斯大学医学院和比尔森大学医院微生物学系的助理教授 Ibrahim Bitar 将介绍CRISPR技术的分子生物学原理,探讨其在应对抗菌素耐药性方面的应用。
CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats,成簇的规则间隔短回文重复序列)和CRISPR相关基因(Cas)被广泛发现在很多细菌的基因组中,用于抵御质粒和病毒等外来入侵者。CRISPR阵列是由重复出现的短序列组成,每个序列是从曾侵入宿主的核酸序列中完全匹配而来的。
CRISPR 序列伴随着 4-10 个 CRISPR 相关基因(cas),这些基因高度保守,编码 Cas 蛋白。根据 CRISPR 阵列中保存的免疫记忆,Cas 蛋白在原核生物(细菌)中进行适应性免疫。CRISPR/Cas 系统将来自质粒和病毒等入侵者的一小段外源 DNA 整合到它们的直接重复序列中,并在未来的入侵过程中识别并降解相同的外部 DNA 元件。
由于CRISPR/Cas系统长时间整合入侵病原体的DNA序列,基因型可用于跟踪分离株的克隆性和来源,并确定它们为在相同环境条件下(包括地理位置)的菌株群体。这些环境条件可以是社区或医院环境,并最终扩展到追踪影响人类社会的致病细菌。
CRISPR/Cas系统有潜力开发抗菌剂:通过引入特异性crRNA,可以有效并有选择性地灭杀目标细菌。鉴于缺乏有效抗击多重耐药(MDR)感染的药物,研究人员开始寻找替代方法,避免长期研发新抗菌药物可能需要数十年的过程。因此,CRISPR/Cas系统的选择性抗菌药物概念于2014年首次被提出和验证。载体编码Cas9和引导RNA针对特定细菌菌株/物种的基因组位点可以通过噬菌体或转化细菌递送到目标细菌。理论上,经过工程改造的CRISPR/Cas系统传递可以特异地清除目标细菌,但情况并不如此简单。
尽管这些系统看似是针对操纵/干预的目标,但所有细菌都经多种途径的调节,以确保对进程保持控制。因此,利用该系统作为抗菌剂仍然面临几个重要挑战。
绝大多数法子须得涉及共轭递送系统;该载体由无毒试验室细菌株承载,这些细菌应透过接合共享载体/质粒。接合程序是细菌自然发生的过程,导致细菌间(包括其他物种)共享质粒。共轭(成功传递)细菌在总细菌群体中所占的比例直接关系到重新敏化效率。该过程受几个复杂途径所控制。
微生物也有自己的内置抗CRISPR系统,可以修复CRISPR-Cas系统带来的任何损伤。微生物通常在细菌基因组的防御岛中拥有防御系统,用以保护自身免受外源DNA的攻击。例如,acr基因经常与其他宿主防御功能的拮抗因子聚集在一起,以作为质粒转移系统的抑制物。专家们推测,移动遗传元件在这些“反防御”岛上制定自己的反制策略。
2024-11-14
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