人体肠道微生物群的免疫对抗：CRISPR防御机制如何应对慢节奏病毒攻击

人体肠道微生物群的免疫对抗：CRISPR防御机制如何应对慢节奏病毒攻击

近期，麻省理工学院（MIT）的生物工程学家揭示了一项关于人体肠道微生物群中新型病毒免疫防御的研究，提供了对细菌如何通过CRISPR系统应对噬菌体（细菌病毒）感染的全新理解。该研究发现，生活在人体肠道中的细菌更新其CRISPR防御系统的速度比在实验室培养的细菌慢得多，平均每三年才更新一次，这一发现挑战了传统的对细菌免疫反应快速适应的认知。

图1 使用全基因组测序和纵向宏基因组数据集研究人类肠道微生物组中间隔区获取的集成工作流程[1]

CRISPR防御系统的作用

CRISPR系统是细菌应对病毒入侵的一种免疫机制。当细菌首次接触病毒时，它会将病毒的DNA片段（即间隔区）整合到自身基因组中，形成记忆。下次遇到相同病毒时，细菌会利用这些记忆序列制造出向导RNA，指引一种名为Cas9的酶去切割病毒DNA，从而防止病毒感染。这个系统通过水平基因转移与其他细菌共享这些免疫信息，从而提高整个微生物群体的免疫能力。然而，在实验室中，细菌能够在短时间内快速采集并整合新的病毒间隔区，几乎每天都能更新其防御系统。而在人类肠道内，细菌更新其CRISPR序列的速度却明显慢得多，研究显示，肠道中的细菌大约每三年才添加一个新的间隔区。

细菌与噬菌体的相互作用

在通过对肠道微生物基因组的深入分析时发现，细菌与噬菌体的互动频率相较于实验室环境低得多，这可能是导致CRISPR防御系统更新速度较慢的原因之一。人体肠道内的微生物群落在进食后会被稀释，细菌和病毒的接触机会大大减少，减少了细菌对病毒威胁的应对需求。因此，肠道内细菌并不需要频繁更新其免疫系统，以应对偶尔出现的病毒威胁。

此外，肠道微生物群的空间分布也可能是影响细菌免疫系统更新的因素之一。一些细菌可能因为处于肠道的不同部位，特别是靠近上皮和粘液层的区域，较少接触到病毒，从而降低了免疫反应的需求。

长双歧杆菌的快速适应

尽管大多数肠道细菌更新防御系统的速度较慢，研究人员在样本中发现了长双歧杆菌这一物种，它在应对特定病毒时更新CRISPR序列的速度较快。研究发现，这种细菌在不同地区的样本中获得了多个针对不同噬菌体的间隔区，表明它在与噬菌体的长期对抗中展现出了更高的适应性。

微生物组疗法的潜力

这项研究不仅有助于揭示细菌如何在肠道内进行免疫防御，还为微生物组疗法的研究提供了新的视角。随着微生物组疗法的应用逐渐增多，了解细菌如何对病毒做出免疫反应将有助于开发更加精确的治疗方法。例如，医生可以根据患者体内特定噬菌体的组成，定制能够对抗这些病毒的微生物治疗方案，从而提高治疗成功率。

参考文献：
[1] Zhang A N, Gaston J M, Cárdenas P, et al. CRISPR-Cas spacer acquisition is a rare event in human gut microbiome[J]. Cell Genomics, 2024.