南科大学者贾宁等在Nature Reviews Molecular Cell Biology 发表anti-CRISPR 作用机制的综述文章
2021年06月17日 科研新闻 浏览量 :703

近日,南方科技大学医学院助理教授贾宁在Nature Reviews Molecular Cell Biology在线发表题为“Structure-based functional mechanisms and biotechnology applications of anti-CRISPR proteins”的综述文章,系统阐述了病毒anti-CRISPR 蛋白逃逸细菌CRISPR-Cas免疫系统攻击的分子机制,为实现精准基因编辑提供了重要参考。

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CRISPR -Cas系统是多数细菌和绝大多数古细菌抵御噬菌体和外源质粒入侵的适应性免疫系统。与此同时,在长期的细菌与噬菌体的共同进化中,噬菌体作为反击,同样进化出相应的工具(anti-CRISPR 蛋白)来逃逸CRISPR-Cas系统的攻击。自2013年anti-CRISPR 蛋白首次发现以来,越来越多的anti-CRISPR蛋白被发现。迄今为止共从噬菌体中鉴定了88个anti-CRISPR蛋白以及一个非源自噬菌体的合成的小分子抑制剂,分布于5类CRISPR-Cas 亚型,包括包括 Class2的 II、V 和 VI 型以及 Class1的 I 和 III 型,迄今为止尚未报道 IV 型。这些anti-CRISPR蛋白主要通过四种分子机制抑制CRISPR-Cas系统:干扰CRISPR-Cas复合物的组装,阻断CRISPR-Cas复合物与靶核酸的结合,抑制靶核酸的切割以及降解环化腺苷信号分子来进一步抑制外源核酸的降解。

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图一 原核生物CRISPR-Cas免疫系统

CRISPR-Cas系统通过将噬菌体外源短核酸片段整合到自身基因组中从而“记住”入侵过的外源核酸。自身基因组中含有外源核酸片段的基因随后经过转录和加工合成成熟的crRNA(CRISPR-derived RNAs)。crRNA 与Cas蛋白形成的复合物在crRNA引导下识别并且降解外源核酸片段来抵御噬菌体和外源质粒入侵。根据Cas蛋白的组分,CRISPR-Cas 系统大体可以分为两类, Class 1 (包含 I, III, and IV亚型) 和Class 2 (包含 type II 和type V和type VI亚型)。 Class 1的Cas 复合物由多种蛋白组成, Class 2 的Cas复合物仅含单个蛋白。与此同时,在长期的进化中,噬菌体进化出相应的工具(anti-CRISPR蛋白)来抑制细菌CRISPR-Cas免疫系统从而逃逸细菌的攻击。

CRISPR-Cas以其RNA引导的精准的DNA/RNA定位切割功能,作为强有力的基因编辑工具被用于基因编辑、表达调控、分子成像以及分子诊断中。但是存在的安全问题例如脱靶效应、细胞毒性等阻碍了其进一步在临床医疗领域的应用,anti-CRISPR蛋白的发现使得CRISPR-Cas系统在时间空间上的精准调控提供了可能。噬菌体的anti-CRISPR蛋白作为天然的细菌的CRISPR-Cas系统的抑制剂,目前已经报道可以用于降低CRISPR-Cas作为基因编辑工具的脱靶效应、细胞毒性以及用于基因表达调控、分子成像以及分子检测等。

该综述从结构生物学,辅以生物化学以及微生物遗传学等角度对噬菌体anti-CRISPR蛋白通过竞争结合、变构调节以及直接抑制CRISPR-Cas复合物的酶活等方式对抗细菌CRISPR-Cas免疫系统的分子机制以及相关的应用进行了详细的阐述,为精准调控CRISPR-Cas系统以及开发相应的工具提供了重要的基础信息。

贾宁与纪念斯隆凯特琳癌症中心Dinshaw J. Patel为文章共同通讯作者。

 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41580-021-00371-9

 

供稿:医学院

通讯员:伍渊

编辑:劳湘雯

 

 


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