2016年08月22日訊 長期以來人們認(rèn)為適應(yīng)性免疫是動物的一種獨(dú)有特征。然而,發(fā)現(xiàn)在幾乎一半的原核基因組中存在CRISPR-Cas防御系統(tǒng)則顯示出了另一個方面。由于寄生物與宿主間永無止境的軍備競賽,通過平行轉(zhuǎn)移完整的基因位點(diǎn)或單個模塊,導(dǎo)致極大的結(jié)構(gòu)和功能多樣性,CRISPR-Cas 一直在快速地進(jìn)化著。
CRISPR-Cas系統(tǒng)可分為兩個不同的種類,每種包含三大類型和多個亞型。在這篇綜述文章中,作者們探討了近期取得的CRISPR-Cas研究進(jìn)展,揭示出了一些精妙的分子機(jī)制,提供了一個有關(guān)CRISPR-Cas進(jìn)化的可信的情景。他們還簡略地描述了最近開發(fā)的廣泛的基于CRISPR的應(yīng)用。
原核生物進(jìn)化出了多個系統(tǒng)對抗諸如病毒和質(zhì)粒等入侵物。舉例來說,這樣的防御系統(tǒng)包括受體遮蔽、限制-修飾(R-M)系統(tǒng)、DNA干擾(Argonaute)、噬菌體排除(BREX或PGL)以及頓挫感染等,所有這些系統(tǒng)都以一種天然的、非特異的方式發(fā)揮作用。此外,原核生物還進(jìn)化出了適應(yīng)性、可遺傳的免疫系統(tǒng):CRISPR和CRISPR-Cas。將來自入侵元件的DNA序列整合到CRISPR陣列(array)中(適應(yīng)階段),再將CRISPR陣列翻譯為長pre-crRNAs并加工為短crRNAs(表達(dá)階段),引導(dǎo)Cas蛋白特異性降解后來接觸的同源DNA(干擾階段),賦予了這一適應(yīng)性免疫。
在大多數(shù)古細(xì)菌和近一半的細(xì)菌基因組中存在著許多不同的CRISPR-Cas系統(tǒng)。最新的CRISPR-Cas分類表描述了兩個種類,它們各自被細(xì)分為三大類型。結(jié)合生物化學(xué)與分子遺傳學(xué)大大推動了揭示不同CRISPR-Cas類型許多獨(dú)特的特征。此外,結(jié)構(gòu)分析和單分子研究進(jìn)一步增進(jìn)了我們對CRISPR-Cas功能分子基礎(chǔ)的認(rèn)識。
近期取得的一些進(jìn)展包括揭示出了適應(yīng)階段,即加工外源DNA片段,并將其作為新的間隔序列(spacer)整合到CRISPR陣列中去時相關(guān)的一些步驟。此外,鑒別出了三種新的CRISPR-Cas類型(IV, V和VI),尤其是V型干擾復(fù)合物已通過實(shí)驗(yàn)確定了特征。此外,能夠借助CRISPR-Cas元件,如Cas9和Cpf1很容易地切割及編程序列特異性靶DNA,使得研究人員可將這些CRISPR-Cas元件作為高度有效的工具,用于廣泛的真核和原核生物中實(shí)現(xiàn)遺傳工程和基因調(diào)控。利用結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的工程學(xué),研究人員正在積極解決Cas9核酸酶造成脫靶切割這一迫切的問題。
在文章中,作者們指出盡管在過去的幾年里大大增進(jìn)了對CRISPR-Cas系統(tǒng)的認(rèn)識,還有許多問題有待揭示。不斷地發(fā)現(xiàn)CRISPR-Cas變體可直接測試近來提出的有關(guān)CRISPR-Cas系統(tǒng)進(jìn)化的模塊化學(xué)說。近期發(fā)現(xiàn)并確定了一些新CRISPR-Cas類型的特征表明,以我們當(dāng)前的知識來預(yù)測親緣關(guān)系遙遠(yuǎn)的CRISPR-Cas變體的功能細(xì)節(jié)能力還相對有限。因此,需要徹底地剖析新發(fā)現(xiàn)的CRISPR-Cas系統(tǒng)認(rèn)識它們的生物學(xué)作用,揭示它們的分子機(jī)制,利用它們的潛能來開發(fā)生物技術(shù)。
有關(guān)CRISPR-Cas生物學(xué)的一些關(guān)鍵的、懸而未決的問題包括,微生物適應(yīng)性免疫的生態(tài)作用,CRISPR-Cas的高平行轉(zhuǎn)移率,CRISPR-Cas和噬菌體編碼anti-CRISPR蛋白的共進(jìn)化。當(dāng)前對于CRISPR-Cas的表達(dá)調(diào)控,CRISPR-Cas在防御之外的一些過程中所起的作用還知之甚少。關(guān)于CRISPR-Cas機(jī)制,闡明在間隔序列獲取中適應(yīng)階段和干擾階段之間聯(lián)系的一些細(xì)節(jié)還不清楚。
當(dāng)前了解甚少的一個CRISPR-Cas關(guān)鍵方面是自我/非自我識別。在CRISPR變體之間這一識別機(jī)制似乎有著很大的差異。近期比較2型效應(yīng)器復(fù)合物(Cas9/Cpf1)揭示出了一些整體的結(jié)構(gòu)相似性以及結(jié)構(gòu)與機(jī)制差異。
這些CRISPR-Cas變體或許可以轉(zhuǎn)化為互補(bǔ)的生物技術(shù)應(yīng)用。結(jié)合一些用于基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新工具,CRISPR相關(guān)效應(yīng)器復(fù)合物將幫助開發(fā)出新一代的抗病毒預(yù)防藥物和療法。對于人類基因治療應(yīng)用,作者們指出,仍然需要不斷地改進(jìn)安全、有效地將Cas9/Cpf1和gRNAs傳遞到細(xì)胞和組織中去的方法。進(jìn)一步認(rèn)識有關(guān)CRISPR-Cas結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)的基本細(xì)節(jié),尤其是確定新Cas效應(yīng)器蛋白的特征,對于優(yōu)化及進(jìn)一步擴(kuò)展CRISPR-Cas系統(tǒng)各種應(yīng)用至關(guān)重要。
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