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揭示DNA受CRISPR自免疫损伤的修复机制
日期:2020-10-12 作者: 来源:华中农业大学 点击:
 近日,Nucleic Acids Research 在线发表了华中农业大学农业微生物学国家重点实验室、生命科学技术学院彭楠教授团队研究成果,题为“A CRISPR-associated factor Csa3a regulates DNA damage repair in Crenarchaeon Sulfolobus islandicus”。研究揭示了调控蛋白 Csa3a 对 CRISPR 自免疫造成的基因组 DNA 损伤的修复调控机制,为进一步研究 CRISPR-Cas 系统自身免疫与维持基因组稳定性之间的联系奠定了基础。
    CRISPR-Cas 系统是原核生物抵御外源入侵遗传元件(MGE)的获得性免疫系统。CRISPR-Cas 系统行使免疫功能受到转录因子、信号分子等严格地调控。在前期研究中,研究团队发现,冰岛硫化叶菌(Sulfolobus islandicus)REY15A的 CRISPR-Cas系统关联转录因子Csa3a可触发CRISPR-Cas系统原发免疫适应(de novo spacer acquisition),获取新 gRNA(spacer)编码序列(Liu et al.,2015,Nucleic Acids Res)。同时,Csa3a 蛋白调控 Sulfolobus DNA 损伤修复的一系列基因的表达(Liu et al.,2017,Nucleic Acids Res)。然而,Csa3a调控的 DNA 损伤修复机制尚未可知。
    作者通过缺失 csa3a 基因发现,缺失 csa3a 基因后 DNA 损伤响应基因(DNA
damage response,DDR)的转录水平均发生了下调。这些 DDR 基因包括在冰岛硫化叶菌中响应 UV 诱导 DNA 损伤的纤毛操纵子(ups)和 DNA 跨膜传递系统(ced)操纵子等。体外实验结果表明,Csa3a 蛋白可特异性地结合上述 DDR 基因的启动
子,结合转录组数据与报告基因系统实验结果,揭示了 Csa3a 蛋白对 DDR 的转录
激活作用。
    同时,与野生型菌株相比,缺失 csa3a 基因可显著抑制在 DNA 损伤剂处理情况下由 Ups 系统介导的细胞聚集,降低 csa3a 缺失菌株的存活率等。DNA 传输和
修复实验结果表明,Ced 系统可修复 CRISPR 干涉造成的自身基因组损伤,且缺失 csa3a 基因可显著降低该损伤修复效率。
    CRISPR 免疫适应(Adaptation)除了触发获得大部分针对 MGE 的免疫适应外,也会获得少部分针对自身基因组 DNA 的免疫适应,因此会造成自免疫损伤。
    在前期的研究中,可移动遗传因子 MGE(mobile genetic elements)的入侵会激活全局调控因子 Csa3a 蛋白表达(Leon-Sobrino et al.,2016,Mol Microbiol),被激活的 Csa3a 蛋白在免疫适应(Adaptation)过程中也会获得少量的自身基因组 DNA 的免疫适应,造成 DNA 损伤。
    在该研究中,作者发现,CRISPR 自免疫损伤自身基因组时,Csa3a 蛋白可调
控跨细胞 DNA 传递系统参与 DNA 修复,修复发生在 CRISPR-Cas 系统免疫适应(Adaptation)时产生的 DNA 断裂处以及自我免疫的靶区,从而使宿主丢失来源于自身基因组的免疫适应和修复宿主基因组断裂的靶区,进而维持了自免疫后基因
组的稳定性。
    我校农业微生物学国家重点实验室、生命科学技术学院博士生刘真真为该论文的第一作者,彭楠教授为论文通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金,博士后创新人才支持计划,中国博士后科学基金和湖北省自然科学基金等项目的资助。
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