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微生物所在CRISPR适应机制研究中获新发现

更新:2014年05月15日 阅读次数: 【字体:

微生物所在CRISPR适应机制研究中获新发现
CRISPR干扰与引发适应过程的异己区分模型

众所周知,CRISPR(全称clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences,即“成簇的规律性间隔的短回文重复序列”)是广泛分布于细菌和古菌中的一种获得性免疫系统。该系统首先从外源病毒(或质粒)中获取特定DNA片段并作为间隔序列(spacer)存储在其CRISPR中,此过程称为“适应”;然后利用相应spacer产生的crRNA识别和降解携带同源序列的外源质粒或病毒,此过程称为“干扰”。显而易见,适应过程获得的spacer决定了干扰机器的靶分子。然而多年来,CRISPR如何在适应过程中区分异己的外源DNA和自身的染色体DNA一直困扰着科学家们。有意思的是,在大多数实验室构建的单一病毒侵染细菌的模型中,CRISPR适应过程很难发生,这严重地阻碍了该领域的研究,因此CRISPR适应过程也是CRISPR研究领域中目前相对最不清楚的过程。最近,中国科学院微生物研究所向华研究员带领的极端嗜盐古菌研究团队在这一领域取得重要发现,近期连续两篇相关论文发表在国际知名期刊Nucleic Acids Research上。

该研究团队首先从辽宁葫芦岛的盐场中分离到了一株新的嗜盐病毒HHPV-2,并在利用该病毒侵染西班牙盐盒菌时观察到了高效的CRISPR适应现象。通过大量的遗传与分子生物学实验,他们发现该嗜盐古菌CRISPR适应过程不仅需要干扰机器的参与,而且需要CRISPR结构中已经存在的一个spacer,该spacer与病毒基因组上的某段序列具有约70%的相似性。基于上述发现,他们推测CRISPR系统借助携带该spacer序列信息的干扰机器,可特异地将病毒DNA识别为异己分子,并在相似序列所在DNA分子上“引发”了适应过程。接着,他们利用该“引发”模型,成功实现了CRISPR系统从特定的重组质粒上高效获取新spacer,验证了该机制,并进一步解析了从病毒或质粒上获取新spacer的链偏好性。该工作充分说明了“引发”机制在适应过程中具有重要的异己识别作用,并有利于其在自然环境中对病毒群的整体适应。相关论文发表在Nucleic Acids Res. 42(4):2483-2492上,博士生李明和王锐是该篇论文的并列第一作者。

接着,该组研究人员构建了64种重组质粒,使它们携带相同的protospacer序列和64种不同的三联核苷酸充当其PAM(protospacer adjacent motif)。有意思的是,CRISPR只能干扰其中4种PAM对应的重组质粒,却能“引发”23种PAM对应质粒(包括被干扰的4种)的适应过程,而其它41种PAM质粒则安全“躲避”了CRISPR系统的免疫。该团队进一步证明位于宿主CRISPR结构中spacer旁边保守的三联核苷酸AGC(属于上述41种PAM),是帮助spacer同时“躲避”了干扰和引发适应过程的决定性因素。该研究表明PAM验证机制在适应过程和干扰过程中都发挥重要作用,但在适应过程中表现出更宽松的PAM选择性,因此该过程能耐受靶分子上更多的PAM突变,同时PAM验证机制又可以避免在宿主自身的spacer DNA处引发适应过程。该工作进一步解析了CRISPR适应过程中的异己区分机制,即“PAM验证的引发机制”。相关论文已于近期在线发表在Nucleic Acids Research (doi: 10.1093/nar/gku389) 上,博士生李明为该篇论文的第一作者。

上述研究工作受到向华主持的国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金委面上项目的资助。

关键词:微生物 生物 机制
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