细菌和感染细菌的病毒参与了分子生命竞赛，就像生命本身一样古老。进化为细菌配备了一系列免疫酶，包括CRISPR-Cas系统，它们可靶向并破坏病毒DNA。但是，杀死细菌的病毒(也称为噬菌体)已经设计出了自己的工具，以帮助他们克服甚至最强大的细菌防御能力。

现在，加州大学旧金山分校和圣地亚哥大学圣地亚哥分校的科学家发现了一种非凡的新策略，一些噬菌体可以采用这种新策略来避免成为这些DNA切割酶的下一个受害者：在感染细菌之后，这些噬菌体在细菌内部构成了一个难以穿透的“安全室”。它们的宿主，可保护脆弱的噬菌体DNA免受抗病毒酶的侵害。类似于细胞核的该区室是病毒中发现的最有效的CRISPR屏蔽。

约瑟夫·邦迪说：“在我们的实验中，这些噬菌体并未屈服于受到挑战的任何靶向DNA的CRISPR系统。这是任何人第一次发现这种噬菌体表现出这种泛泛CRISPR抗性。”加州大学旧金山分校微生物学和免疫学系助理教授Denomy博士。Bondy-Denomy领导了进行这一发现的研究团队，该研究团队的详细信息将在2019年12月9日发表在《自然》杂志上。

寻找CRISPR无法切割的DNA

为了找到抗CRISPR的噬菌体，研究人员从五个不同的噬菌体家族中选出病毒，并用它们感染经过基因工程改造以部署四种不同的Cas酶的普通细菌，Cas酶是CRISPR系统的DNA切割成分。

这些经过CRISPR强化的细菌在对抗它们所面对的大多数噬菌体方面取得了胜利。但是发现两个巨型噬菌体(因为它们的基因组是研究最深入的噬菌体的基因组的基因组的五至十倍)而得名，因此无法对所有四个CRISPR系统产生渗透。

研究人员决定对这些巨型噬菌体进行测试，并探究其CRISPR抗性的极限。他们将它们暴露于配备了完全不同类型的CRISPR的细菌，以及暴露于限制性修饰系统的细菌(一种比CRISPR更普遍的DNA切割酶)(在大约90%的细菌物种中发现了限制性系统， CRISPR仅占大约40%)，但只能靶向有限数量的DNA序列。结果与以前相同：培养皿中散落着噬菌体感染细菌的残留物。

“这真是令人惊讶，因为我们将细菌改造成能大量过量生产免疫系统的成分，但是它们中的任何一个都不能切割噬菌体DNA。这些噬菌体对所测试的所有六个细菌免疫系统均具有抗性。 Bondy-Denomy。

看来，巨噬细胞实际上是坚不可摧的。但是试管实验却提出了另外一个建议：事实上，巨噬细胞DNA与其他任何DNA一样，都容易受到CRISPR和限制酶的攻击。在噬菌体感染的细胞中观察到的CRISPR抗性必须是病毒产生的某种东西干扰CRISPR的结果。但是呢

反CRISPR是一个明显的罪魁祸首。这些蛋白质由Bondy-Denomy于2013年首次发现，是某些噬菌体基因组中编码的有效CRISPR灭活剂。但是当研究人员分析巨型噬菌体基因组序列时，却找不到反CRISPR基因。另外，每种已知的抗CRISPR只能禁用特定的CRISPR系统，而巨型噬菌体对投掷在其上的每种抗病毒酶均具有抗性。保护巨型噬菌体DNA的任何方法都必须基于其他机制。

发现：难以穿透的CRISPR盾

基于显微镜的实验最终揭示了正在发生的事情。当这些巨型噬菌体感染细菌时，它们会在宿主细胞的中间建立一个球形隔室，从而将抗病毒酶拒之门外，并为病毒基因组复制提供“安全空间”。

事实证明，该隔室与UCSD教授Joe Pogliano博士和UCSF教授David Agard博士于2017年首次发现的相同，他们都是这项新研究的合著者。尽管这些研究人员先前已证明噬菌体基因组在此核样外壳中复制，但直到现在为止还没有人知道该外壳还可以作为针对CRISPR和其他DNA标记的不可穿透的屏蔽。

尽管如此，关于外壳和构建外壳的病毒的许多问题仍未得到解答，包括有关构建外壳的蛋白质的基本细节。

“这是在对这些噬菌体进行测序时发现的许多假想蛋白质之一。看来它是噬菌体所特有的，但并不常见。甚至在一些密切相关的噬菌体中也没有发现。我们也不知道蛋白质的结构看起来就像是原子级。”

但是，壳的蛋白质构建基并不是Bondy-Denomy及其同事渴望解决的唯一谜团。当研究人员在显微镜下监视噬菌体感染的细菌时，他们注意到了一些不寻常的现象：在组装噬菌体的安全室时，这一过程大约需要30分钟，其基因组仍保留在将其注入宿主细胞的位置。在这段时间内，噬菌体基因组似乎易受宿主细胞周围漂浮的任何抗病毒酶的攻击。但是不知何故，当安全室正在建设中时，基因组仍保持完整。

邦迪·迪诺姆(Bondy-Denomy)表示：“我们认为某种预壳可以在早期保护注入的DNA。这就像是在壳最终组装好后脱落的装甲。但是我们不知道该装甲是什么。”找出这些噬菌体如何在病毒生命周期的每个步骤中保护自己免受CRISPR侵害。

研究人员还发现，外壳并不像最初的实验所建议的那样坚不可摧。该研究的主要作者塞尼·门多萨(Bondy-Denomy Lab)的研究生通过一些巧妙的工程设计，找到了一种方法，可以通过在一种病毒外壳蛋白上连接一种限制性酶来绕开类似核的屏蔽层。这种特洛伊木马策略使DNA切割限制酶可以在组装过程中潜入壳中，并在原本被认为是无免疫力的区域内切碎噬菌体基因组，从而使细菌得以生存。

这项实验令研究人员特别兴奋，因为它表明实际上有一些方法可以突破“难以穿透的”安全室。考虑到细菌和噬菌体一直在寻找破坏对方防御的新方法，邦迪-德诺姆认为，科学家最终将发现细菌已经具备了突破或绕过该核样隔室所需的工具的武装。

Bondy-Denomy说：“我们正在寻找细菌绕过壳层的方式。在这场斗争中，这绝不是一切。” “也许有些细菌将免疫酶融合到噬菌体蛋白上，然后进入外壳。或者细菌会盗取噬菌体基因并将其用于噬菌体。我认为我们最终会发现细菌中有很多细菌与构建这些外壳的噬菌体作斗争的方法，我们可能会对它们的操作方式感到惊讶。”