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Nature拳头综述(IF=55)| 南方科技大学贾宁等系统介绍抗CRISPR蛋白及起作用机制

CRISPR 基因座和 Cas 蛋白在原核生物中提供针对入侵的噬菌体和质粒的适应性免疫。作为回应,噬菌体已经进化出广谱的抗 CRISPR 蛋白(抗 CRISPR)来抵消和克服这种免疫途径。迄今为止,已经鉴定出许多抗 CRISPR,它们抑制单亚基 Cas 效应器(在 CRISPR 2 类、II、V 和 VI 型系统中)和多亚基级联效应器(在 CRISPR 1 类、I 型和 III 型系统中)。结合效应复合物的抗 CRISPR 的晶体学和冷冻电子显微镜结构研究,辅以体外和体内的功能实验,确定了四种主要的 CRISPR-Cas 抑制机制:抑制 CRISPR-Cas 复合物组装、阻断靶标结合、防止靶标裂解和环状寡核苷酸信号分子的降解。


2021年6月4日,南方科技大学贾宁及纪念斯隆凯特琳癌症中心Dinshaw J. Patel共同通讯在Nature Reviews Molecular Cell Biology (IF=55.47)在线发表题为“Structure-based functional mechanisms and biotechnology applications of anti-CRISPR proteins”的综述文章,该综述讨论了从 X 射线晶体学和冷冻电子显微镜研究中出现的关于抗 CRISPR 功能的新机制见解,以及这些结构与功能研究相结合如何为不断发展的 CRISPR-Cas 生物技术提供有价值的工具,用于精确和强大的基因组编辑和其他应用程序。


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感应外来核酸是所有生物体中最常见的细胞免疫策略之一。在真核生物中,细胞质中存在 DNA 可以激活 cGAS-STING 信号通路,从而通过产生 I 型干扰素来激活先天免疫。不出所料,病原体已经进化出各种方法来克服这种防御。在原核生物中,细菌和古细菌已经进化出多种免疫系统,包括先天性和适应性免疫系统,以通过靶向此类“入侵”核酸来防止噬菌体感染,包括通过先天限制性修饰系统切割入侵的噬菌体基因组以及Cas 基因系统,通过记忆来自噬菌体  和质粒的过去入侵核酸,为原核生物提供适应性免疫。

作为回应,噬菌体进化出多种对抗策略来逃避这些抗病毒系统,包括限制位点的修饰或限制-修饰辅因子的降解。也可以通过选择 CRISPR-Cas 靶向序列中的点突变或形成核样结构(阻止目标识别或切割)或通过生成抗 CRISPR 蛋白来逃避基于 CRISPR-Cas 的免疫(anti-CRISPRs) 直接灭活 CRISPR-Cas 效应复合物 。

CRISPR-Cas 系统分布广泛,已在大约 85% 的古细菌和大约 40% 的细菌完全测序基因组中被发现。值得注意的是,CRISPR-Cas 系统高度多样化,目前分为两大类,它们总共包括六种类型,根据系统发育、cas 基因组成和作用机制进行分类。 1 类系统(包括 I、III 和 IV 型)由多亚基效应复合物组成,而 2 类系统(包括 II、V 和 VI 型)包括单亚基效应蛋白。

尽管存在这些差异,但所有系统都依赖于相同的基本行动原则,跨越三个主要阶段:适应、表达和干扰。在第一个适应阶段,来自入侵者的小 DNA 片段(称为间隔区)被整合到宿主 CRISPR 基因座中以免疫宿主细胞;这种间隔区的结合产生了感染的遗传记忆;在防御的第二阶段,CRISPR 基因座被转录成前体 CRISPR 衍生的 RNA (crRNA),并进一步加工成短的成熟 crRNA。最后,在目标干扰阶段,单个crRNA与Cas蛋白组装形成crRNA-效应复合物,负责对入侵核酸进行序列特异性识别和降解。然而,与其他防御系统相比,CRISPR-Cas 系统的自适应特性也使它们能够获得新的间隔区来对抗这些噬菌体“逃逸者”;因此,单独的诱变不足以使噬菌体长期存活。

为了对抗 CRISPR-Cas 监视复合物的适应性,噬菌体进化出了 CRISPR-Cas 系统的蛋白质抑制剂,称为抗 CRISPR(Acr 蛋白),它于 2013 年首次被发现。随后,抗 CRISPR 的知识迅速扩展,迄今为止,包括在天然可移动遗传元件中鉴定的 88 种抗 CRISPR 蛋白 ,以及一种非源自噬菌体的合成小分子抑制剂。

这些报道的抗 CRISPR 跨越 5 个 CRISPR-Cas 亚型,包括 2 类 II、V 和 VI 型以及 1 类 I 和 III 型,迄今为止尚未报告 IV 型。通过多种方法发现了不同的抗 CRISPRs 在它们之间没有共享序列特征。生化和结构研究揭示了其中 29 种抗 CRISPRs 的特定功能机制,揭示了四种主要的对抗CRISPR-Cas 系统策略:抑制 CRISPR-Cas 复合物组装、阻断靶标结合、防止靶标裂解和环状寡核苷酸信号分子的降解。

由于其 RNA 引导、序列特异性识别能力,CRISPR-Cas 系统已被重新用作强大的基因操作工具,用于基因和基因组编辑、基因调控 、成像和分子诊断 。这项技术的简单性和稳健性已将基因操作从一项基础科学技术转变为用于一系列医疗应用的工具。然而,突出的挑战仍然与基因操作过程的安全方面有关,这可能导致脱靶效应和细胞毒性。Anti-CRISPRs 能够干扰 CRISPR-Cas 活动,并可能为 CRISPR-Cas 衍生的基因组编辑工具提供时间、空间和条件控制。

在这篇综述中,对抗 CRISPR 的最新发现、机制和应用进行了最新的表征和讨论。与之前的综述相比,该综述强调了从最近的 X 射线晶体学和冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 研究中获得的新机制见解,通过竞争性结合、变构控制和酶抑制 Cas 蛋白和多亚基级联复合物来抑制抗 CRISPR。对 CRISPR-Cas 调控的这种分子理解应该有助于开发精确和更好控制的基于 CRISPR-Cas 的基因组操作工具。


参考消息:
https://www.nature.com/articles/s41580-021-00371-9


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