擊敗超級細菌：研究人員發現對抗抗生素耐藥性的新武器

互補性的發現有潛力增加對抗抗生素耐藥性感染的治療選擇。伊利諾大學的研究人員有了互補性的發現，增進了我們對細菌免疫系統的理解，並為對抗抗生素耐藥性感染提供了新策略。

抗生素耐藥性細菌，常被稱為超級細菌，構成嚴重威脅，因其難以治療，且可能使原本通常可控制的感染造成更高的死亡率。這些發現凸顯了替代傳統抗生素的迫切需求。

能殺死細菌的病毒，即噬菌體，是強效的抗菌劑，可用於治療感染。然而，細菌配備了包括CRISPR-Cas在內的一系列免疫系統，以抵禦噬菌體攻擊。這些免疫系統帶來問題，因其會降低基於噬菌體的治療效果。

微生物學副教授阿斯瑪·哈圖姆-阿斯蘭研究細菌免疫系統的內在運作，重點是開發有效的噬菌體療法。她的實驗室研究集中在葡萄球菌中的CRISPR-Cas和其他免疫系統，葡萄球菌是常駐於皮膚的細菌，常引發人類的抗生素耐藥性感染。她的實驗室近期發表的兩篇論文，描述了首個III-A型抗CRISPR蛋白的發現，並揭示了抗病毒免疫系統擴散的機制，以及其可能降低噬菌體療法效果的問題。

CRISPR-Cas免疫系統利用特殊複合物偵測和摧毀源自噬菌體的核酸。此複合物由與一種或多種CRISPR相關的Cas核酸酶結合的小RNA組成。

在六種型別的CRISPR-Cas系統中，III型被認為最複雜。大多數CRISPR系統要麼針對DNA，要麼針對RNA入侵者，而III型系統則同時針對二者。III型系統也是已知唯一利用第二信使訊號機制刺激Cas核酸酶的CRISPR型別，並透過招募通常用於其他細胞活動的管家核酸酶提供額外保護層。因此，III型CRISPR-Cas系統在清除噬菌體感染方面極為有效。

這引發了一個問題：是否有一些噬菌體進化出了反擊的方法？為回答此問題，哈圖姆-阿斯蘭實驗室的成員篩選了大量噬菌體，以尋找能逃脫III-A型CRISPR-Cas系統的噬菌體，並發現了一種新型抗CRISPR蛋白。他們發表在《核酸研究》上的研究結果，強調了抗CRISPR蛋白AcrIIIA1與CRISPR相關複合物結合並阻止其功能的能力。

哈圖姆-阿斯蘭表示，獲得多樣的噬菌體庫是這一初步發現的關鍵。「我開發了一門噬菌體發現課程，自2016年起教授。每年春天，我的課堂上都有學生尋找感染葡萄球菌的噬菌體。所以我們從這個仍在不斷擴大的大量噬菌體庫中取材。」

在鑑定出具有抗CRISPR活性的噬菌體後，研究人員的下一個挑戰是確定哪些特定基因起作用。在篩查了超過200個基因（其中許多基因功能未知）後，實驗室成功鑑定出acrIIIA1，即首個III-A型抗CRISPR基因，哈圖姆-阿斯蘭將此過程稱為「遺傳學體操」。

透過使對CRISPR系統具有抗性的相關噬菌體配對，實驗室成員縮小了研究範圍，聚焦在一段約2000個核苷酸的短片段上。對該區域的多個基因進行克隆和測試，使哈圖姆-阿斯蘭和她的學生得以確定最終負責抗CRISPR活性的基因。

額外的實驗表明，AcrIIIA1在組成上獨特；它是一種小蛋白，能與小RNA（包括作為細胞蛋白合成機制一部分的碎片化tRNA）強烈結合。

哈圖姆-阿斯蘭說：「我們不完全確定這些RNA片段如何幫助噬菌體逃脫CRISPR，但我們認為它們可能透過競爭性抑制間接阻止管家核酸酶降解噬菌體的遺傳物質。如果你用受損的RNA分散這些核酸酶的注意力，它們就有別的東西可處理。與此同時，噬菌體就能完成複製並逃脫。」

哈圖姆-阿斯蘭希望，經過抗CRISPR蛋白改造的噬菌體在治療應用中對治療抗生素耐藥性感染更有效。

哈圖姆-阿斯蘭稱：「教授《噬菌體發現》課程的好處之一是積累了這個噬菌體庫，我們可以與使用噬菌體療法治療頑固感染的臨床醫生分享。最近，我們與匹茲堡的一位整形外科醫生取得聯絡，並向他提供了一些我們捕獲的野生表皮葡萄球菌噬菌體，用於治療植入醫用器械感染的患者。」

實驗室的長期目標是設計能克服CRISPR-Cas和其他防禦機制的治療性噬菌體，方法是為它們配備像AcrIIIA1這樣的蛋白。

然而，儘管噬菌體療法在一些案例研究中顯示出前景，但在美國尚未成為常規治療方法。研究人員擔心的一個下游問題是，細菌採用的抗噬菌體防禦手段眾多，且噬菌體耐藥機制有迅速擴散的可能性。在一篇互補論文中，哈圖姆-阿斯蘭的實驗室深入研究了葡萄球菌的抗病毒武器庫。

為更好地理解葡萄球菌的全套抗病毒防禦機制，哈圖姆-阿斯蘭和她的團隊鑑定了1000多株金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌中所有已知的防禦機制及其基因組位置。他們的分析揭示了抗病毒防禦機制擴散的主要途徑。

發表在《自然通訊》上的這項分析表明，葡萄球菌的許多防禦機制存在於稱為SCCmec盒的可移動DNA片段中或其附近。SCCmec盒是包含基因簇的獨立區域，可從基因組中切入或切出。SCCmec盒可從基因組中自我切割出來，或作為一個獨立元件重新插入。這些盒也可從它們的宿主細菌中逃逸，並透過稱為水平基因轉移的過程轉移到附近無關的細菌中。

哈圖姆-阿斯蘭表示：「SCCmec盒因傳播對甲氧西林的耐藥性而惡名昭彰，甲氧西林是我們對付葡萄球菌感染的最後手段之一。一旦意識到這些盒及其鄰近區域是抗噬菌體防禦的熱點，我們就想更深入研究它們對防禦機制傳播的影響。」

哈圖姆-阿斯蘭實驗室的成員確定，除了切割和貼上SCCmec盒外，SCCmec盒中編碼的酶還可切割和貼上攜帶多種抗噬菌體免疫系統的相鄰DNA片段。他們還發現，噬菌體感染會刺激這些盒從細胞中釋放，進一步促進其傳播。這些發現對噬菌體療法有重要意義，因為噬菌體療法必須應對日益增加的噬菌體耐藥性。

哈圖姆-阿斯蘭說：「關於細菌的抗病毒防禦機制，我們仍有很多不瞭解的地方。這是一個完全開放的領域，但瓶頸在於弄清楚防禦系統如何工作。觸發系統警報噬菌體感染的因素是什麼？系統如何在消除噬菌體的同時防止細胞受損？」

展望未來，哈圖姆-阿斯蘭的實驗室正努力鑑定和描述新的免疫系統，以及噬菌體如何自然適應。

哈圖姆-阿斯蘭稱：「揭示這一進化過程的細節很有啟發性。它幫助我們設計出在未來多年都有效的治療性噬菌體。」

參考文獻：《AcrIIIA1是一種蛋白-RNA抗CRISPR複合物，可靶向核心Cas和輔助核酸酶》，作者露西·周-鄭、奧利維亞·霍威爾、托里·A·博伊爾、莫塔赫·侯賽因、福雷斯特·C·沃克、埃瑪·K·謝裡夫、巴巴羅斯·阿斯蘭和阿斯瑪·哈圖姆-阿斯蘭，2024年11月18日，《核酸研究》。DOI：10.1093/nar/gkae1006 《葡萄球菌中SCCmec元件旁抗噬菌體防禦機制的串聯轉移》，作者莫塔赫·侯賽因、巴巴羅斯·阿斯蘭和阿斯瑪·哈圖姆-阿斯蘭，2024年10月12日，《自然通訊》。DOI：10.1038/s41467-024-53146-z 》