Cell Rep:揭示Cas4蛋白在CRISPR/Cas系统中的功能
来源:本站原创 2018-04-04 06:38
小编推荐会议:2018基因编辑与基因治疗研讨会2018年4月4日/生物谷BIOON/---全球的科学家们越来越多地将一种被称作CRISPR-Cas9的细菌免疫防御系统作为对活细胞中的DNA进行编辑的工具。这种新技术让基因编辑变得更加容易和更加精确。但是,这些CRISPR系统如何在自然界中起作用还获得完全理解。如今,在一项新的研究中,来自荷兰代尔夫特理工大学的研究人员确定了存在于多种CRISPR系统
图片来自Getty Images/TU Delft。
基因记忆
作为对病毒入侵的反击,细菌经过进化产生防御机制,如具有切割病毒DNA的能力因而中和这种威胁的CRISPR-Cas9。然而,在这种情形发生之前,细菌需要拥有对一种病毒的基因记忆。它必须认识到这种病毒是一种威胁。
这种记忆是通过细菌获取病毒的DNA片段并将这些片段插入到自己的遗传密码中形成的。 如果相同类型的病毒再次攻击这种细菌,那么细菌细胞就会识别入侵者并派遣切割蛋白,如Cas9。将这些病毒DNA片段产生的RNA作为一种“备忘单”,这种切割蛋白开始寻找并破坏这种病毒,从而让细菌保持安全。
病毒DNA片段
科学家们已知道几种蛋白存在大多数CRISPR系统中。然而到目前为止,一种被称为Cas4的蛋白的作用仍然是不清楚的。与Cristóbal Almendros一起作为论文第一作者的博士生Sebastian Kieper说,“鉴于这种蛋白存在于大多数的CRISPR系统中,我们知道它定是比较重要的。”
为了发现Cas4到底发挥什么作用,这些研究人员将Cas4基因导入到含有主要的CRISPR记忆形成机制的大肠杆菌细胞中。他们并没有将这个基因引入到其他的细胞中。Brouns说,“我们发现,在没有Cas4的情况下,这种细菌仍然形成针对入侵病毒的记忆,但是这些记忆不能提供保护。”换言之,仅当Cas4存在时,入侵病毒的DNA片段才被插入到这种细菌的基因组中,从而让这种细菌细胞产生病毒抵抗力。
功能性记忆
进一步的研究揭示出细菌在没有使用Cas4的情况下为什么不能够使用它们形成的记忆。这与前间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motif, PAM)有关,其中PAM是由少量碱基对组成的短DNA序列,起着作为Cas9等DNA切割蛋白的识别点的作用。Brouns说,“利用Cas9进行基因组编辑的任何人都知道选择PAM对实验取得成功是至关重要的。”
细菌面临同样的问题。Brouns解释道,“当选择一段病毒DNA作为记忆插入到细菌基因组中时,CRISPR系统也需要选择侧翼有PAM的序列。Cas蛋白将利用PAM序列寻找它的靶序列,它不会靶向侧翼没有PAM的DNA序列。”因此,PAM也起着保护作用,阻止Cas蛋白切割细菌自己的DNA。
Cas4的作用是确保仅侧翼有PAM的病毒DNA序列插入到细菌的DNA中。这导致细菌产生功能性记忆,从而确保当病毒再次尝试攻击,这些细菌能够利用形成的记忆阻止病毒入侵。
这些研究人员如今正在研究这个过程是如何发挥作用的,以及如何利用这一发现。(生物谷 Bioon.com)
参考资料:
Sebastian N. Kieper, Cristóbal Almendros, Juliane Behler et al. Cas4 Facilitates PAM-Compatible Spacer Selection during CRISPR Adaptation. Cell Reports, 27 March 2018, 22(13):3377–3384, doi:10.1016/j.celrep.2018.02.103
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