在一項新的研究中，來自英國埃克塞特大學、法國蒙彼利埃大學和新西蘭奧塔哥大學的研究人員揭示了細菌免疫係統如何對它們的宿主有害，並解釋了為何在許多細菌中沒有發現它們。相關研究結果於2020年1月22日在線發表在Nature期刊上，論文標題為“Targeting of temperate phages drives loss of type I CRISPR–Cas systems”。

        CRISPR-Cas是一種細菌免疫係統，可保護細菌免受病毒(稱為噬菌體)的感染。這種免疫係統的作用機製是竊取一小段病毒DNA並在未來的感染中利用這段病毒DNA靶向和破壞匹配的病毒基因組部分。CRISPR-Cas的靶向作用會破壞這種病毒基因組，這意味著無法產生新的病毒拷貝。

        此前，埃克塞特大學環境與可持續發展研究所的Westra研究團隊和van Houte研究團隊已發現CRISPR-Cas可出色地抵抗裂解性噬菌體(lytic phage)，即在宿主細胞內增殖並引起細菌細胞爆裂從而釋放更多病毒顆粒的噬菌體(Current Biology, 2015, doi:10.1016/j.cub.2015.01.065; Nature, 2016, doi:10.1038/nature17436)。

        但是，病毒通常遵循“溶原性(lysogenic)”生活方式，這意味著它們可以整合到宿主基因組中並處於休眠狀態，直到觸發因素(通常與宿主應激或來自其他噬菌體的信號相關)導致它們重新進入裂解途徑。

        論文第一作者、Westra實驗室研究員Clare Rollie和Anne Chevallereau解釋道，“我們的新結果表明這種細菌免疫係統無法消除溶原性噬菌體，並且在噬菌體感染期間經常導致對宿主有害的自身免疫反應。”

        這種類型的自身免疫反應是由靶向整合到宿主基因組中的病毒DNA的CRISPR-Cas係統引起的，從而導致宿主細胞死亡和病毒釋放。

        他們發現從基因組中丟失了CRISPR-Cas係統的細菌細胞避免了自身免疫靶向引起的損傷，得以存活和增殖。因此，缺乏這種關鍵的免疫係統是一種優勢。

        他們還強調道，“抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR protein)是由噬菌體產生的小分子抑製劑，可抵消宿主的CRISPR-Cas免疫反應，並且以前被認為僅對製造它們的噬菌體有益，但是實際上它們也為宿主提供了保護。在這種情況下，讓宿主免疫係統失活會阻止自身免疫反應並阻止細菌死亡。”

        細菌自身免疫反應是由不完全匹配的“間隔序列(spacer)”引起的，間隔係列是將CRISPR-Cas係統引導至病毒DNA的序列。

        這些研究人員發現這些與噬菌體不完美匹配的間隔序列在自然界中經常發生，因此這種自身免疫反應可能是擁有CRISPR-Cas係統的常見結果。

        重要的是，這可能有助於解釋為何CRISPR-Cas僅存在於大約40%的細菌基因組中，並經常從存在密切親緣關係的細菌菌株中獲得和丟失。