Cell子刊 | 中国科学院李明/向华揭示CRISPR护卫RNA的全新生理功能

CRISPR RNAs (crRNAs)和Cas蛋白共同作用，为原核生物提供适应性免疫，抵御噬菌体和质粒等遗传入侵者。然而，crRNA产生和cas表达的协调作用仍然知之甚少。

2023年9月1日，中国科学院微生物研究所李明及向华共同通讯在Cell Host & Microbe 在线发表题为“Widespread RNA-based cas regulation monitors crRNA abundance and anti-CRISPR proteins”的研究论文，该研究证明了广泛的调节性miniCRISPR编码cas调节RNAs (CreRs)，基于它们与cas启动子的有限互补性，介导I-B、I-E和V-A型cas蛋白的自抑制。

这种自抑制不仅降低了自身免疫风险，而且还响应了与CreR竞争Cas蛋白的规范crRNAs丰度的变化。此外，多种噬菌体抗CRISPR (Acr)蛋白可以抑制Cas效应物，从而减轻甚至破坏CreR引导的Cas蛋白的自抑制，从而促进新的Cas蛋白的产生。该研究揭示了多种Cas效应物的一般RNA引导的自抑制范式，揭示了CRISPR-Cas复杂的自我协调及其对Acr蛋白的转录对抗策略。

在原核生物中，CRISPR-Cas系统构成了抵御入侵遗传元素(如病毒(噬菌体)和质粒)的适应性防线。这些系统高度多样化，目前可分为2类，6类，30多个亚型CRISPR阵列包含入侵者衍生的序列，这些序列插入到每两个直接重复序列之间，称为间隔序列。这些阵列伴随着编码多亚基效应复合物(1类)或单蛋白效应物(2类)的cas (CRISPR相关)基因。成熟的CRISPR RNAs(crRNAs)引导cas效应物基于其间隔部分与靶点(称为原间隔)之间的完美互补精确识别和切割外源核酸，保守的原间隔邻近基序(PAM)在靶点识别过程中起着关键作用。通常，CRISPR-Cas系统还编码Cas蛋白(例如，Cas1、Cas2和Cas4)，介导从遗传入侵者获得新的间隔物。这一过程被称为CRISPR适应，据信以两种模式中的一种发生：初始适应或启动适应，这取决于是否需要与入侵DNA部分匹配的启动间隔物。

在噬菌体冲突期间，CRISPR阵列中间隔物的获取和丢失导致CRISPR记忆容量不断变化。为了保证有效的CRISPR免疫，需要有足够的Cas蛋白供应;然而，持续高水平的Cas产生可能会增加自身免疫的风险，并可能对宿主产生其他负面影响。为了在为crRNA向导提供足够的蛋白质效应物和避免负面影响之间取得平衡，cas表达和crRNA产生的调控需要精确的协调，但人们对其知之甚少。

最近的研究揭示了CRISPR免疫效应的次要功能，揭示了其作为基因调节剂的潜力，通过有限的间隔物-原间隔物互补。例如，II型效应体Cas9已被发现在毒力相关调控子的转录抑制中发挥作用，这一过程由称为小CRISPR相关RNA (scaRNA)的非规范RNA向导指导在II型和部分V型系统中，crRNA成熟过程和干扰过程本质上涉及反式激活crRNA (tracRNA)，其特征是与crRNA前体的重复部分形成双工的抗重复。最近，已经出现，在大多数II-A系统中，tracrRNA（tracr-L）的长亚型还包含一个间隔样序列，该序列部分匹配cas9启动子，从而使Cas9能够重新用于自动调节。

机理模式图（图源自Cell Host & Microbe ）

作者最近的研究也揭示了I-B型CRISPR效应复合物的调节作用。研究人员发现一种退化的miniCRISPR，称为类似CRISPR的抗毒素(creA)，可以对这种效应复合物进行重编程，从而转录抑制一种小毒性RNA，即CRISPR抑制毒素(CreT)，其作用是通过隔离宿主细胞中的一种罕见的tRNA物种。这种微小的双RNA毒素抗毒素(TA)元件(被认为代表VIII型TA24)使宿主细胞对活性CRISPR效应物上瘾，因为破坏这些效应物会释放CreT表达并触发细胞死亡/休眠。值得注意的是，CreA的间隔部分与creT的启动子DNA (PcreT)具有有限的互补性，这导致基因调控而不是DNA切割。

总之，该研究为Cas自动调节回路提供了大量的实验证据，该回路是由类似crRNAs的调节性RNAs(特别是CreR或CreA)引导的。值得注意的是，该回路能够适应典型防御性crRNAs不断变化的需求，并且容易受到Acr蛋白的影响。作者推测，与多样化的CreT结合，该回路可能促进了CRISPR-Cas在原核生物中的广泛分布和持久稳定性。这一研究发现不仅从全新视角阐释了CRISPR-Cas如何协调crRNA和Cas蛋白的表达这一领域内基本科学问题，而且揭示了一种作用于转录水平的anti-CRISPR新策略。

中国科学院微生物研究所李明团队的博士生刘超、博士后王锐、程飞跃、舒宪和中国科学院微生物研究所副研究员李洁为该论文的并列第一作者，微生物研究所李明研究员和向华研究员为该论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(23)00330-X

转自：“iNature”微信公众号

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