美国密歇根大学医学院与中国科学院微生物研究所合作团队近日发现，奈瑟菌属细菌中的I型CRISPR-Cas系统除已知的防御功能外，还承担着调控功能，可管控嵌套于CRISPR-Cas基因座内的先天免疫基因的表达，构建出一套分层防御体系。相关成果已发表于《自然》。

CRISPR-Cas系统是细菌抵御噬菌体等威胁的核心防御机制。迄今为止，科学界已识别出两大类、七种类型、46种亚型的CRISPR-Cas系统，不同类型在防御机制和效应功能方面存在显著差异。

此次研究的核心发现是：细菌的抗噬菌体防御系统可以组织成一种分层的调控层级结构。具体而言，在奈瑟菌属中，I型CRISPR-Cas系统在扮演前线防御角色的同时，还充当"总指挥"，通过结合位于防御基因启动子序列的方式阻断其转录，将嵌套于CRISPR-Cas基因座内的其他先天免疫基因维持在抑制状态。

这种抑制在正常情况下是必要的，因为这些先天免疫基因的激活会抑制细菌自身的生长，代价较高。然而，当CRISPR系统受损或被噬菌体策略性地破坏时，这种抑制被解除，先天免疫基因随即大量表达，作为备用武器对抗噬菌体。

论文通讯作者之一、密歇根大学医学院生物化学与微生物免疫学副教授Yan Zhang博士解释道："CRISPR是噬菌体感染期间的前线防御，但当CRISPR出现缺陷或以某种方式被解除武装时，它会解除抑制，导致先天防御系统大量产生，作为后备武器消灭噬菌体。"

这一分层防御结构还揭示了噬菌体策略为何会失效。噬菌体演化出了多种规避CRISPR防御的手段，例如利用肽抑制剂使Cas机制失活。然而，在这套分层防御体系面前，Cas抑制剂不再足以拯救噬菌体——因为它反而会触发备用防御系统的释放，导致噬菌体被消灭。

Yan Zhang表示，这一发现在应用层面具有两方面的潜在价值。其一，对于酸奶、发酵食品或生物燃料等以细菌为生产主体的行业，这些认识有助于工程化改造出更强壮、更能抵抗噬菌体侵染的菌株。其二，它有助于推进噬菌体疗法的开发——为了研制出能有效杀灭耐抗生素细菌病原体的更好噬菌体疗法，需要深入了解细菌中可能隐藏的防御系统，从而有针对性地改造噬菌体，使其能够突破这些防线。

这项研究在奈瑟菌属遗传学和噬菌体实验平台的基础上得以实现，由Yan Zhang实验室前博士后Xufei Zhou博士和在读博士生Xin Li奠定了研究基础。论文共同通讯作者、中国科学院微生物研究所Ming Li博士的团队发起并主导推动了这项发现的多个关键环节。

参考文献：Xian Shu et al, CRISPR–Cas regulates expression of embedded anti-phage defence systems, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10833-9

编辑：周敏

排版：李丽