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与CRISPR/Cas系统相爱相杀的抗CRISPR蛋白研究最新进展 一

2020.5.11

CRISPR/Cas系统是目前发现存在于大多数细菌与所有的古菌中的一种免疫系统,被用来识别和摧毁抗噬菌体和其他病原体入侵的防御系统。在CRISPR/Cas系统中,CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats)的简称,涉及细菌基因组中的独特DNA区域,也是储存病毒DNA片段从而允许细胞能够识别任何试图再次感染它的病毒的地方,CRISPR经转录产生的RNA序列(被称作crRNA)识别入侵性病毒的遗传物质。Cas是CRISPR相关蛋白(CRISPR-associated proteins, Cas)的简称,Cas蛋白像一把分子剪刀那样切割细菌基因组上的靶DNA。

细菌与感染细菌的病毒(噬菌体)之间的生存之战导致了许多细菌的防御系统得到进化,同时噬菌体也针对这些系统进化出了新的拮抗物:抗CRISPR蛋白。CRISPR-Cas系统是细菌保护自己防御噬菌体的一种最常见方法,它在许多细菌体内作为适应性免疫系统发挥重要作用。目前CRISPR-Cas9系统已经越来越广泛地得到科学家们的青睐,用于基因修饰和基因功能研究。

鉴于已知Cas9核酸内切酶在细胞内逗留太久会导致脱靶效应,科学家们正在努力开发Cas9关闭开关在理想的情况下,Cas9会发现完美的靶标,随后一种Cas9抑制剂阻止这种酶发生额外地切割。如今有研究证实病毒进化出的反制措施,即被称作抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR)的抑制性蛋白,能够被用来改进作为一种基因治疗工具的CRISPR-Cas9,从而降低可能导致不良副作用的脱靶基因编辑。

在此之前,小编针对CRISPR/Cas系统开展大量的总结和分析,但是未专门针对抗CRISPR蛋白开展过相关的总结。基于此,小编特地针对抗CRISPR蛋白近年来取得的进展,进行一番盘点,以飨读者。

  1. Nature:CRISPR-Cas也有天敌!

doi:10.1038/nature15254

近日,来自加拿大多伦多大学的研究人员在著名国际学术期刊Nature上发表了一项最新研究进展,他们在这项研究中首次发现了噬菌体合成的用以抑制细菌体内CRISPR-CAS系统的蛋白质。 在这项研究中,研究人员利用生化和体内研究方法对噬菌体产生的三种抗CRISPR蛋白进行了研究,结果发现每一种蛋白质都通过不同的机制抑制CRISPR-CAS活性。其中两种蛋白通过与CRISPR-CAS复合体内的不同蛋白亚基发生相互作用,利用空间或非空间抑制效应阻断CRISPR-CAS复合体的DNA结合活性。而第三种抗CRISPR蛋白则通过与CAS3解旋酶-核酸酶结合,阻止其被招募到与DNA结合的CRISPR-CAS复合体上。

研究人员利用体内实验证明抗CRISPR能够将CRISPR-CAS系统转变为一个转录抑制因子,首次提出了通过蛋白结合调节CRISPR-CAS活性的模型。

这些抗CRISPR蛋白的多样性序列和作用机制代表它们具有各自独立的进化过程,同时提示可能还会存在其他可能调控CRISPR-CAS功能的蛋白,仍然需要更多研究进行深入探讨。

2. Cell:赞!又发现两种新的抗CRISPR蛋白

doi:10.1016/j.cell.2016.12.009

在刚刚发现几种能够阻断人细胞中的CRISPR-Cas9活性的蛋白(Cell, doi:10.1016/j.cell.2016.11.017)之后,来自美国加州大学旧金山分校的Joseph Bondy-Denomy和同事们在一项新的研究中报道了更多的抗CRISPR蛋白(anti-CRISPR)。

研究人员先假设细菌基因组可能含有一种抑制剂来阻止CRISPR切割其自身基因组中的靶标,然后通过在细菌基因组中寻找CRISPR序列和它的靶标而发现这些Cas9抑制剂。确实,Rauch和同事们揭示出几种存在于李斯特菌中的抗CRISPR蛋白,而且这些抗CRISPR蛋白的序列是之前的噬菌体感染中遗留在李斯特菌基因组中的。Rauch说,“正如CRISPR技术是基于细菌的天然抗病毒防御系统开发出来的,我们也能够利用病毒制造出的抗CRISPR蛋白来绕过这些细菌防御系统。”

这项研究发现两种蛋白抑制剂AcrIIA2和AcrIIA4阻断来自酿脓链球菌的Cas9酶活性,其中Cas9是一种经常用于基因组编辑中的DNA切割酶。

3.Nat Microbiol:微生物利用抗CRISPR蛋白破坏CRISPR/Cas系统

doi:10.1038/nmicrobiol.2016.85

在一项新的研究中,来自加拿大多伦多大学和新西兰奥塔哥大学的一个研究团队发现多样性的细菌物种编码阻断特异性CRISPR/Cas系统活性的基因。通过扫描原噬菌体(即整合在细菌基因组中的噬菌体基因组),来自多伦多大学的Alan Davidson和同事们鉴定出5种新的抗CRISPR蛋白编码基因,而在此之前,他的团队已鉴定出9种。这项最新的研究突出强调了一种学习CRISPR系统如何工作的方法以及一种潜在的开展基于CRISPR的基因编辑的附加工具。相关研究结果于2016年6月13日在线发表在Nature Microbiology期刊上,论文标题为“Inactivation of CRISPR-Cas systems by anti-CRISPR proteins in diverse bacterial species”。

在当前的这项研究中,Davidson团队扩大对变形菌门(Proteobacteria)内细菌物种基因组的搜寻。鉴于之前鉴定出的这9种蛋白没有共同的序列基序,研究人员寻找与一种假定的转录调节基因具有同源性的序列,这是因为他们发现这种转录调节基因位于所有已知的抗CRISPR位点的附近。

Davidson和同事们然后测试了在质粒中表达的每种假定的抗CRISPR基因是否能够支持噬菌体在携带靶向它的I-E型或I-F型CRISPR系统的细菌内复制。他们又鉴定出4种靶向作用于I-F型CRISPR系统的抗CRISPR基因,以及一种能够阻断I-E型和I-F型CRISPR系统的抗CRISPR基因。

4.mBio:鉴定出新的一组抑制铜绿假单胞菌I-E型CRISPR-Cas系统的噬菌体抗CRISPR基因

doi:10.1128/mBio.00896-14

在一项新的研究中,多伦多大学的Alan Davidson团队证实携带I-F型抗CRISPR基因的一些噬菌体介导对铜绿假单胞菌的I-E型CRISPR-Cas系统的抑制。这些基因并不抑制铜绿假单胞菌的I-F型CRISPR-Cas系统,也不抑制大肠杆菌的I-E型CRISPR-Cas系统他们也在铜绿假单胞菌的非前噬菌体基因组区域(可能是可移动的遗传因子)中鉴定出功能性的抗CRISPR基因。

他们首次证实铜绿假单胞菌的I-E型CRISPR-Cas系统无需基因操纵就天然地具有活性,这与之前描述过的大肠杆菌和其他细菌的I-E型CRISPR-Cas系统形成鲜明对比。

5.Cell:重磅!揭示抗CRISPR蛋白阻断CRISPR系统机制

doi:10.1016/j.cell.2017.03.012

如今,来自美国国家过敏症与传染病研究所、斯克里普斯研究所、蒙大拿州立大学、加州大学旧金山分校和加拿大多伦多大学的研究人员首次解析出病毒抗CRISPR蛋白附着到一种细菌CRISPR监视复合物上时的结构。他们发现抗CRISPR蛋白的作用机制是封锁CRISPR识别和攻击病毒基因组的能力。一种抗CRISPR蛋白甚至“模拟”DNA,让这种crRNA(CRISPR经转录产生的RNA)引导的检测机器脱轨。相关研究结果发表在2017年3月23日的Cell期刊上,论文标题为“Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex”。论文通信作者为来自斯克里普斯研究所的Gabriel C. Lander和来自蒙大拿州立大学的Blake Wiedenheft。

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