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- 你们细菌也会生??? - 你以为当细菌就好混了?

图片:松鼠会Sheldon / 知乎

既不会一刀切,也不会放过诈骗犯,这个蛋白质分子怎么这么聪明?

松鼠会Sheldon,理论物理学博士,科普作家,科学漫画创作者

ag环亚集团 www.npjfj.cn 如果把你缩小到细菌的大小,你会发现,咱们人类有的烦恼,细菌也有。比方说,人会生病,细菌也会生病。因为有一种叫噬菌体的病毒,会专门感染细菌。

碰到细菌之后,噬菌体会把自己的 DNA 注入细菌体内。这些 DNA 就像诈骗犯一样,跟细菌的 DNA 混在一起,让细菌稀里糊涂地帮噬菌体“传宗接代”。

据估计,在大海的表层,每毫升海水大约含有 9 亿个噬菌体。生活在海里的细菌悲惨极了,它们大约有 70% 的比例感染了噬菌体。

我们知道,人如果感染了细菌或病毒,身体里的各种免疫细胞就会集体出动,通过免疫反应消灭它们??墒?,细菌可没这条件。因为它本身也是一个细胞,它能派谁去消灭噬菌体入侵呢?

细菌有没有免疫系统呢?

有!

最近十几年,分子生物学家发现,细菌还真的像人一样,有一套专门对抗噬菌体入侵的免疫系统。也许正是在这套免疫系统的?;は?,细菌才能存活几十亿年。

那么,细菌的免疫系统是怎样对付混入细菌体内的 “ DNA 诈骗犯” 的呢?首先,在细菌体内,有一种蛋白质特工,专门负责追杀这类 “ DNA 诈骗犯” 。

它们的名字叫作

其次,混入细菌 DNA 中的诈骗犯肯定没法直接追杀,因为 DNA 序列长得都差不多。别说蛋白质了,柯南都分不清哪一段是 “好 DNA ”,哪一段是 “ DNA 诈骗犯” 。

于是,要想从 DNA 序列中找到诈骗犯,细菌得先知道诈骗犯长啥样。

最后,在“通缉令”的指引下,细菌体内的蛋白质特工可以轻松找到噬菌体派来的 DNA 诈骗犯,然后“咔嚓”一刀,把它剪断。这样一来,噬菌体的诈骗犯 DNA 就挂了,细菌也就治好了自己的病。

所以,这套由“诈骗犯标本库”、“通缉令”和“特工”组成的免疫系统叫作 CRISPR / Cas 系统。

Cas 蛋白如何识别敌我?

不知道你有没有发现,细菌的这套免疫系统,有一个非常明显的 bug!

你看, 诈骗犯标本和诈骗犯,它们的 DNA 长得一模一样。负责追杀诈骗犯的是一种蛋白质,蛋白质又没长脑子,它难道不会偶尔犯糊涂,把库里的诈骗犯标本给误杀了吗?

洛克菲勒大学的刘诗欣博士和他的合作者研究了这个问题。他们的研究对象是,一种比较独特的细菌免疫系统,叫作 CRISPR / Cas10 系统。

他们发现,这个系统中的 Cas10 蛋白可不是死脑筋,而是一种能分辨忠奸的法官。它才不会误杀标本。那么,Cas10 蛋白是如何辨忠奸的呢?

我们想象一个蛋白质的时候,总是把它想象成一个固定不变的大分子。但实际上,蛋白质分子就像很多化学分子一样,是可以发生形变的。比如下面这样:

刘诗欣和合作者发现,Cas10 之所以能分辨忠奸,靠得就是这种结构的形变,叫作构象变化。

平时,Cas10 蛋白会进入一种“休眠”的构象。如果没有找到 DNA 诈骗犯,它就会一直保持休眠的状态,免得把细菌自己的 DNA 砍坏了。

当然,为了防止 Cas10 蛋白误杀标本库里的标本, “通缉令”的开头有一个暗号,用来专门识别诈骗犯是不是标本库里的。

如果暗号对上了,那就说明这是自家的标本,千万不能杀。此时,Cas10 蛋白就会依然保持休眠的构象。

总结一下,Cas10 不但不是一个只会打打杀杀的特工,还是一位既不放过一个坏人,也不冤枉一个好人的法官。它会通过一个决策流程判断自己该休眠还是该开铡,该果断铡还是该具体问题具体分析。

这个流程看起来一点儿也不复杂。但我们要知道,Cas10 并不是可以编程的机器人,而是一个由 800 个氨基酸组成的蛋白质分子。作为一个分子,Cas10 居然能够根据实际情况做出准确的决策,既不会全部一刀切,也不会对危害人民健康的保健品诈骗团伙视而不见。

对细菌来说,能在残酷的自然环境中拥有这样聪明的免疫系统,实在是不幸中的万幸??!

作者:Sheldon | 绘制:Mirror、黄呆

美指:牛猫 | 排版:胡豆 | 鸣谢:王玲

本文已发表于墨子沙龙,版权归墨子沙龙所有

本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用,自媒体、报刊等转载请联系墨子沙龙授权。

注:

1.在细菌的免疫系统中,最著名的是 Cas9 蛋白参与的“ CRISPR / Cas9 系统”。我们平常听说的基因编辑,就是通过改造“ CRISPR / Cas9 系统”实现的。

2.在“ CRISPR / Cas10 系统”中, Cas10 蛋白并不是独立完成工作。每次出门办案的时候,他都会跟其他几个蛋白分子形成一个特定的搭配。

图片来源:Molecular Cell

所以,在我们的漫画中,包青天一个人无法完成全部工作,他的身后还得跟着展昭、公孙策和其他护卫。

3.“ CRISPR / Cas10 系统”的另一个特点是,它的“通缉令” crRNA 不是直接识别目标 DNA 的序列,而是趁目标 DNA 正在转录成 pre-mRNA 时,跟转录出的 pre-mRNA 进行匹配。我们在漫画中没有表现这一复杂过程,这并不影响我们的核心结论。

图片来源:Molecular Cell

4. cas10 蛋白质分子真的是一个相对简单的分子,不信你看:

图片来源:《Cell》

参考文献:

1. Wang et. al, Dynamics of Cas10 Govern Discrimination between Self and Non-self in Type III CRISPR-Cas Immunity, Molecular Cell 73, 1-13 January 17, 2019.

2. Kazlauskiene et al., Spatiotemporal Control of Type III-A CRISPR-Cas Immunity: Coupling DNA Degradation with the Target RNA Recognition, Molecular Cell 62, 295-306 April 21, 2016.

3. You et al., Structure Studies of the CRISPR-Csm Complex Reveal Mechanism of Co-transcriptional Interference, Cell 176, 1-15 January 10, 2019.

4. Jia et al., Type III-A CRISPR-Cas Csm Complexes: Assembly, Periodic RNA Cleavage, DNase Activity Regulation, and Autoimmunity, Molecular Cell 73,1-14 January 17, 2019.

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