CRISPR-Cas系統是許多古細菌（archaea）和細菌（eubacteria）中重要的對抗外來遺傳物質的防禦機制。CRISPR loci 是由數組 spacer sequence和一些重複的序列組合而成，當 CRISPR loci 被轉錄成 crRNA 後，crRNA 會與核酸酶 Cas 結合形成複合體結合至外來的 DNA，外來的 DNA 將會被 Cas 剪切而遭到破壞，達到防禦的效果。大部分目前已知的 CRISPR-Cas 系統都是用於抵抗噬菌體的感染，最近研究發現細菌之間經由接合作用（conjugation）獲得的質體（plasmids）其實也常是 CRISPR-Cas 系統作用的對象。然而，誠如大家所知道的：透過接合作用獲得質體乃是細菌在激烈的演化競爭下生存的一種重要的途徑（例如：抗藥性質體的獲得），那麼，新獲得的質體如何躲過 CRISPR-Cas 系統的防禦機制讓細菌得以保留它們進而擁有演化優勢便是一個亟待解釋的問題。
本研究利用（１）帶有mupirocin 抗藥性質體 pG0400 的 Staphylococcus aureus RN4220，以及（2）擁有能夠針對該質體上的 nickase 剪切的CRISPR-Cas 系統的 Staphylococcus epidermidis RP62a 兩種菌株依一定比例混合培養（註），再利用抗生素篩選出真正獲得 pG0400 的S. epidermidis。研究發現獲得新質體的 S. epidermidis 的比例約是一萬分之一，進一步分析這些存活下來菌株的 CRISPR-Cas 系統和所獲得的質體 pG0400 的序列，發現：並非質體本身 nickase 發生突變而躲過 CRISPR-Cas 系統的分解，相反地，是 S. epidermidis 本身的 CRISPR-Cas系統發生了各式各樣的突變導致原先辨認甚至清除外來遺傳物質的功能喪失。
這樣的結果進一步產生了兩個疑問：第一，失能的 CRISPR-Cas 系統是否會對細菌個體本身存活不利，造成演化上的障礙？從結果看起來不同突變的菌株的存活率相當不一致，整體而言對族群的存活影響並不大。第二，為什麼是 CRISPR-Cas 系統發生突變而不是質體系統。研究者推斷應該與前者的突變頻率較高有關，利用軟體模擬確實也可觀察到類似的族群消長情形，至於真實情況究竟如何，可能還有待實驗進一步調查佐證。
（註）在此處提供質體的 S. aureus 數目遠高於接受者 S. epidermdis 的數目，如此可確保質體不虞匱乏，此研究稱之為”offer they can’t refuse”法。
參考文獻
- Jiang, W., Maniv, I., Arain, F., Wang, Y., Levin, B. R., & Marraffini, L. A. (2013). Dealing with the evolutionary downside of CRISPR immunity: bacteria and beneficial plasmids. PLoS genetics, 9(9), e1003844.
https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1003844
圖片來源
- Kåhrström, C. T. (2013). Bacterial genetics: Defeating the drawbacks of CRISPR. Nature Reviews Microbiology, 11(12), 817.
https://doi.org/10.1038/nrmicro3157 - Jiang, W., Maniv, I., Arain, F., Wang, Y., Levin, B. R., & Marraffini, L. A. (2013). Dealing with the evolutionary downside of CRISPR immunity: bacteria and beneficial plasmids. PLoS genetics, 9(9), e1003844.
https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1003844
