抗菌CRISPR-Cas系統，強力殺滅病菌的新武器

圖片說明：CRISPR-Cas系統為靶向病原菌提供了一種新的途徑，並且沒有抗生素的缺點。 圖片來源：www.shutterstock.com

抗生素是可以殺滅細菌的化合物。許多抗生素是自然界中的細菌本身產生的，因為它們要跟其它細菌競爭食物或生存空間。隨著時間的推移，長期暴露於抗生素的細菌就會選擇性避開某類抗生素，從而對抗生素產生耐藥性；耐藥性越強的種群中的細菌個體繁殖越快。

與人類相比，細菌繁殖速度驚人，導致細菌物種快速進化。例如，在合適的條件下，常見的腸道細菌大腸桿菌（Escherichia coli）僅三十分鐘就繁殖一次。細菌還可以通過橫向轉移基因（horizontal gene transfer）的過程獲取抗生素耐葯基因。也就是說，如果環境中一種細菌產生了抗生素耐藥性，其它細菌同樣大有機會增強耐藥性。如果病原菌通過快速進化，對我們所使用的抗生素產生了耐藥性，那麼棘手的問題就出現了。

另外，人的體內存在有益菌，對維持身體健康起著重要作用。目前的抗生素還不能區分病原菌和有益菌，只會將所有菌體不加選擇地統統殺滅掉。這樣又會導致其它健康問題。比如，人們認為過度使用抗生素以後會導致腸道異常細菌菌落生態（intestinal dysbiosis），腸道內異常細菌菌落生態是一種細菌種群組成成分，與健康問題相關。

我們需要的不是一堆更新、更強效的抗生素。我們需要的是更智能的抗生素，只會靶向病原菌，而不干擾到非病原菌，我們需要的是細菌性病原菌不容易產生耐藥性的抗生素。長期以來，這一目標似乎遙不可及，直到我們發現了細菌CRISPR-Cas系統。

圖片說明：噬菌體將基因注射到細菌中。 圖片來源：Dr Graham Beards, CC BY-SA

利用細菌自身的免疫系統殺滅病菌

細菌時常暴露於一種名為噬菌體的病毒中。這種細菌病毒將自己的基因注射到細菌細胞內，利用細菌的內部結構產生更多噬菌體。為了應對這種攻擊，細菌發明了一種新的、涉及CRISPRs的防禦系統，CRISPRs是RNA中成群規律間隔短期複發重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的簡稱，同時還包括CRISPRs相關蛋白（Cas proteins）。細菌細胞內有不同種類的RNA分子有不同的功能，大多與調節基因的功能有關。CRISPR所含的改變入侵噬菌體基因功能的過程中，含CRISPR基因的RNA分子自動生成。

作為細菌免疫系統的一部分，CRISPR-Cas系統在細菌內天然存在。簡而言之，CRISPR-Cas系統就是細菌細胞內的一個能產生含有CRISPR 序列的RNA分子結構網路。RNA兩翼的CRISPR 序列能與入侵噬菌體的基因配對，因此，含有CRISPR 序列的RNA 就會與入侵噬菌體的基因相互結合。接著，Cas酶就會連接到CRISPRs上並切除目標噬菌體基因，使其失活從而不能產生更多的病毒顆粒—以此阻斷感染。

雖然CRISPR-Cas 系統在細菌內進化產生，但這種系統中的RNA和酶在動物和植物細胞中同樣會起作用。利用這種系統可以製備在人體細胞內能發揮作用的個體化基因組編輯工具，這項發現引發了爆炸式的探索研究 ，終極目的在於找到更好的方法來治療遺傳疾病。例如，最近的研究在小鼠體內為這種理論提供了原理論證。由於目前改造RNA更容易，人們便合成含有CRISPR的RNA靶向有利害關係的基因並與Cas酶一起使用。這就是此種個體化基因組編輯工具如何運行的原理。

圖片說明：沙門氏菌入侵人類細胞或許是一種有利於使用CRISPR-Cas靶向致病菌的方案。 圖片來源：Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

CRISPR-Cas為抗擊病原菌開闢了新的途徑

CRISPR-Cas系統相對於現在的抗生素而言有幾個優點：第一，利用CRISPR-Cas系統的特異性，可以設計只會靶向某一種細菌的CRISPR-Cas系統。由於製備可以非常精確，因此即使目標細菌與其它細菌混在一起，CRISPR-Cas系統仍然可以只切除那種細菌的致病基因。

第二，對於避免抗生素耐藥性，CRISPR-Cas系統同樣也技高一籌。在噬菌體內已經發現了抗CRISPR基因（如使Cas蛋白失活的基因），而細菌內沒有。對於一種細菌來說，從病原菌獲取對CRISPR-Cas系統的耐藥性非常困難，甚至不可能。真要這樣做，它們就會自毀免疫系統分子，無異於自殺。

隨著我們對CRISPR-Cas系統如何起作用有了更深入的了解，我們就可以合成新的分子，比細菌自然產生的分子表現更好。

CRISPR-Cas系統的缺點

目前發表的實驗需要電擊細菌，使其攝取大量足夠的特殊設計的CRISPR分子（設計用於攻擊特異細菌）才能起效。這對細菌感染對象是人的時候顯然不可能辦到。 CRISPRs 傳遞的方式不僅要求治療安全，還需要將足量的CRISPRs 傳遞到細菌細胞內，才能保證目標病原菌被殺滅，只有這樣，CRISPR-Cas系統才能起作用。

一些研究人員正在對一種轉基因的噬菌體內的CRISPR-Cas系統進行研究，稱為「噬菌粒」（phagemids）。他們使用這種噬菌粒病毒作為傳遞系統，入侵含有CRISPR-Cas 結構的目標細菌，以此破壞對於細菌生存必需的基因。這種研究手段很有前途卻不夠完善，因為比起注射的CRISPR-Cas系統，細菌更容易對這種噬菌體產生耐藥性。如果目標細菌對噬菌粒感染產生了耐藥性，噬菌粒就不能在運載貨物了。另外，還沒有廣譜的噬菌體能夠靶向許多不同的病原菌，使得我們可以容易修改噬菌粒將CRISPR-Cas系統運送到多種細菌中。

圖片說明：實驗室培養的感染細菌，研究人員正想辦法殺滅這種感染細菌。 圖片來源：Bill Branson, NCI, NIH

希望

科學家將繼續研究其他手段或進一步發現並克服這些困難。CRISPR-Cas系統將會成為一個強有力的武器，能保持「有益」細菌群落不受損，從而保護人類免受致病細菌的困擾。

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