CRISPR-Cas系统及anti-CRISPR蛋白在微生物中的研究进展

CRISPR-Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISP) and CRISPR associated proteins)系统是细菌用来防御病毒、质粒等外源核酸入侵的一种获得性免疫防御系统。随着研究的深入,CRISPR-Cas系统已发展为一种重要的基因编辑工具,并成功应用于动物、植物和微生物的基因改造中。但该基因编辑方法有时存在基因脱靶效应,从而限制了其推广应用。最近,通过将1种新发现的抗CRISPR蛋白(Anti-CRISPR protein,ACP)与CRISPR-Cas系统相结合,已成功开发出可控制基因脱靶效率的CRISPR-Cas基因编辑工具。本文首先对CRISPR-Cas系统及ACP进行了简要介绍,然后就CRISPR-Cas基因编辑工具及ACP在微生物基因改造的应用现状进行了综述,并对ACP介导的CRISPR-Cas基因编辑方法(ACP-CRISPR-Cas)在微生物基因编辑中的应用前景进行了讨论。     

嗜盐古菌中Ⅰ-B亚型CRISPR-Cas系统的分子机制和应用进展

嗜盐古菌是一类应用前景广阔的微生物资源,但由于缺乏高效灵活的遗传操作工具,限制了这类生物在科学研究和工业生产方面的应用。CRISPR-Cas系统存在于绝大多数古菌中,应用其内源性CRISPR-Cas系统进行遗传操作是一种兼具可行性和简便性的策略。近年来,人们对Ⅰ-B亚型CRISPR-Cas系统的研究已从模式古菌沃氏富盐菌(Haloferax volcanii)拓展到其他嗜盐古菌中。本文总结了Ⅰ-B亚型CRISPR-Cas系统的分子机制,并介绍了利用这种内源性CRISPR-Cas系统在嗜盐古菌中进行遗传操作的研究进展。     

细菌CRISPR-Cas系统的研究进展

获得性免疫长期以来被视为真核生物所独有,而CRISPR-Cas系统的发现则打破了这一定论。它是广泛存在于细菌和古菌中的一种获得性免疫系统,通过捕获整合初次感染的外源核酸片段,在Cas蛋白与cr RNA(CRISPR RNAs)的共同作用下抵御相同核酸的再次入侵,以保护宿主免受侵扰。近些年,CRISPR-Cas系统得到广泛的关注和研究。本文主要从细菌微生物角度,对系统分类、作用机制及原核领域应用等取得重要突破的研究进行扼要阐述,为CRISPR-Cas系统的深入探究和应用拓展提供有价值的参考信息。     

极端酸性矿山环境微生物基于CRISPR系统的适应性免疫机制

【目的】通过对酸性矿山环境中嗜酸硫杆菌属(Acidithiobacillus)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、钩端螺旋菌属(Leptospirillum)、硫化杆菌属(Sulfobacillus)、酸原体属(Acidiplasma)和铁质菌属(Ferroplasma)的100株冶金微生物基因组中CRISPR-Cas系统的结构特征和同源关系进行生物信息学分析,在基因组水平上解析冶金微生物基于CRISPR系统对极端环境的适应性免疫机制。【方法】从NCBI网站下载基因组序列,采用CRISPR Finder定位基因组中潜在的CRISPR簇。分析CRISPR系统的组成结构与功能:利用Clustal Omega对重复序列(repeat)分类;将间隔序列(spacer)分别与nr数据库、质粒数据库和病毒数据库比对,获得注释信息;根据Cas蛋白的种类和同源性对酸性矿山环境微生物的CRISPR-Cas系统分型。【结果】在100株冶金微生物基因组中共鉴定出415个CRISPR簇,在176个c CRISPR簇中共有80种不同的重复序列和4147条间隔序列。对重复序列分类,发现12类重复序列均能形成典型的RNA二级结构,Cluster10中的重复序列在冶金微生物中最具有代表性。间隔序列注释结果表明,这些微生物曾遭受来自细菌质粒与病毒的攻击,并通过不同的防御机制抵抗外源核酸序列的入侵。冶金微生物细菌的大部分CRISPR-Cas系统属于I-C和I-E亚类型,而古菌的CRISPR-Cas系统多为I-D亚类型,两者基于CRISPR-Cas系统的进化过程中存在显著差异。【结论】酸性矿山环境微生物的CRISPR结构可能采用不同免疫机制介导外源核酸序列与Cas蛋白的相互作用,为进一步揭示极端环境微生物的适应性进化机理奠定了基础。     

来自细菌的魔剪：2020年诺贝尔化学奖

CRISPR-Cas系统是在原核微生物中广泛存在的抵抗病毒(或质粒)入侵的防御系统。基于CRISPR-Cas9系统发展的基因组编辑工具可以方便快捷地实现对生物体内基因组的精确编辑,如突变基因的修复、有益基因的强化和有害基因的删除等,已在生命科学基础研究、经济物种遗传改良和人类医药健康等领域获得广泛应用,其主要发明人Emmanuelle Charpentier和Jennifer A. Doudna教授于2020年荣获诺贝尔化学奖。CRISPR-Cas9基因组编辑技术在深刻改变生命科学与医学领域研究范式的同时,也提示丰富多彩的微生物资源依然是颠覆性生物技术创新的源泉,微生物前沿基础研究具有极其重要的战略意义。     

基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统及其最新进展

存在于细菌和古菌中的获得性免疫系统CRISPR-Cas目前已被广泛应用到生物技术领域,尤其是靶向DNA的CRISPR-Cas9技术。然而CRISPR-Cas系统靶向RNA的技术还处于初步应用阶段。Ⅵ型CRISPR-Cas系统(CRISPR-Cas13)的发现,揭示了RNA引导的RNA靶向性。CRISPR-Cas13是目前CRISPR-Cas家族中唯一只靶向ssRNA的系统,为RNA靶向和RNA编辑奠定了基础。根据Cas13系统发育已证明将Ⅵ型CRISPR-Cas系统分为4种亚型(A-D)。主要对目前最新的靶向RNA技术的CRISPR-Cas13家族的分类以及防御机制进行了综述,介绍了CRISPR-Cas13技术的应用以及基于CRISPR-Cas13家族的RNA编辑系统的最新研究进展。最后,对目前CRISPR-Cas13 RNA编辑技术体系存在的问题进行了分析和对未来的发展进行展望。     

anti-CRISPR的起源、发展和应用

细菌和古菌等微生物与病毒（噬菌体）之间的生存之战是一场“军备竞赛”。细菌和古菌已经进化出多种先天和适应性的免疫系统来抵御噬菌体的入侵。噬菌体则利用不同的对抗策略来躲避这些噬菌体防御机制。CRISPR-Cas （Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-CRISPR-Associated）系统就是细菌和古菌广泛编码的一种抵御噬菌体等外源遗传元件的获得性免疫系统,与此同时,噬菌体也进化出特异性的anti-CRISPR来抵抗CRISPR-Cas系统的免疫。本文系统综述了anti-CRISPR的发现过程、分类和作用机制,并展望了其潜在的应用。     

基于CRISPR-Cas9技术的基因治疗研究进展

CRISPR-Cas9系统是细菌在与噬菌体抗争的进化过程中产生的一种抵御外源DNA入侵的机制,能有效识别并剪切外源DNA。基于其识别切除外源DNA的原理,CRISPR-Cas9系统被开发成为新一代基因编辑工具。与ES打靶、ZFN、TALEN等技术途径相比,CRISPR-Cas9系统操作简便、效率高、成本低,有着极其广阔的应用前景。本文整理了近年内有关CRISPR-Cas9系统的最新文献报道,对该系统工作原理以及针对基因治疗的研究进展进行综述。     

CRISPR-Cas介导的基因编辑工具

近年来,随着人们对CRISPR-Cas系统研究的不断深入和改造,CRISPR-Cas系统已成为一项新的基因靶向修饰技术,能够定向对靶基因进行定向沉默,目前该项技术已经成功地用于HEK293、小鼠及斑马鱼的细胞并产生了稳定的基因敲除细胞株,在小鼠、果蝇等模式动物上成功构建了基因敲除模型。CRISPR-Cas以其设计简单,耗时短、效率高等优点使其成为一项具有广阔应用前景的基因靶向敲除技术。就CRISPR-Cas的发现、结构、作用机理以及Cas9/gRNA目前的一些应用进行综述。     

CRISPR-Cas9技术的原理及其在猪研究中的应用

成簇的规律间隔的短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)及其相关蛋白(CRISPR-associated proteins,Cas)是细菌和古生菌中抵抗外源病毒或质粒入侵的获得性免疫系统,目前已经被广泛应用于动物基因组编辑。现回顾CRISPR-Cas9系统的发展历程并比较其与锌指核酸酶(ZFNs)、类转录激活因子效应物核酸酶(TALENs)技术的优势,详细介绍了CRISPR-Cas9系统的组成成分和各组分的功能以及其编辑基因组的原理,着重梳理了CRISPR-Cas9系统在猪生产性能、抗病育种、人类模式动物构建和异种器官移植方面的最新研究进展,以期为CRISPR-Cas9系统的进一步应用提供参考。     

新RNA编辑技术CRISPR-Cas13

CRISPR-Cas13系统(clustered regularly interspaced short palindromic repeats associated Cas system,CRISPR-Cas)是一种快速、高效、精准的新型RNA编辑工具,具有易于设计、结构简单、操作方便、特异性强的特点。综述了CRISPR-Cas13在CRISPR分类系统中的地位、CRISPR-Cas13的结构基础以及作用机制、与其他RNA水平调节方法的比较以及目前的应用前景,以期为相关研究提供参考。     

微生物新型防御系统的系统性发现与展望

微生物防御系统是生物技术创新与发展的重要工具库,细菌限制性内切酶的发现催生了现代分子克隆技术,CRISPR系统的开发利用则使基因组编辑技术取得革命性突破。基于上述原因,微生物新型防御系统的发现与研究已引起各国科学家的重视,一些新的防御系统如pAgos和DISARM等相继被发现和研究。为进一步挖掘微生物中可能蕴藏着的其他未知防御系统,最近以色列科学家Sorek等报道了从海量的微生物基因组序列中系统性发现新型防御系统的研究策略,并且通过合成生物学思路鉴定了10种新型系统的抗病毒或抗质粒功能。本文将首先介绍Sorek团队系统性发现新型防御系统的研究工作,进而总结目前已知的主要微生物新型防御系统的可能机制,并对该领域的发展态势与挑战进行分析和展望。     

Searching for fat tails in CRISPR-Cas systems: Data analysis and mathematical modeling

Understanding CRISPR-Cas systems—the adaptive defence mechanism that about half of bacterial species and most of archaea use to neutralise viral attacks—is important for explaining the biodiversity observed in the microbial world as well as for editing animal and plant genomes effectively. The CRISPR-Cas system learns from previous viral infections and integrates small pieces from phage genomes called spacers into the microbial genome. The resulting library of spacers collected in CRISPR arrays is then compared with the DNA of potential invaders. One of the most intriguing and least well understood questions about CRISPR-Cas systems is the distribution of spacers across the microbial population. Here, using empirical data, we show that the global distribution of spacer numbers in CRISPR arrays across multiple biomes worldwide typically exhibits scale-invariant power law behaviour, and the standard deviation is greater than the sample mean. We develop a mathematical model of spacer loss and acquisition dynamics which fits observed data from almost four thousand metagenomes well. In analogy to the classical ‘rich-get-richer’ mechanism of power law emergence, the rate of spacer acquisition is proportional to the CRISPR array size, which allows a small proportion of CRISPRs within the population to possess a significant number of spacers. Our study provides an alternative explanation for the rarity of all-resistant super microbes in nature and why proliferation of phages can be highly successful despite the effectiveness of CRISPR-Cas systems.     

以CasX为例简述新型CRISPR-Cas系统的基本属性和研究方法

在细菌与古菌中广泛存在的CRISPR-Cas系统,作为目前发现的原核生物唯一的适应性免疫系统,抵御着病毒和质粒的入侵。自20世纪80年代首次被发现至今,CRISPR-Cas系统的基本情况逐渐清晰,包括名称缩写、分类、进化关系等方面。近年来,由于第二类CRISPR-Cas系统作为一种有潜力的基因编辑工具而逐渐成为应用研究被关注,对CRISPR-Cas系统的基础研究热度也持久不衰。为了使此类基因编辑工具在实际应用领域更加安全便捷,针对已发现的CRISPR-Cas系统在根据基础研究领域的成果进行优化的同时,对新型CRISPR-Cas系统的发掘工作也同等重要。本文以2017年发现的CasX为例,简要概述针对一种新发现的CRISPR-Cas系统需要研究确定的基本属性及相关研究方法。     

Friendly Fire: Biological Functions and Consequences of Chromosomal Targeting by CRISPR-Cas Systems

Clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)-associated (Cas) systems in bacteria and archaea target foreign elements, such as bacteriophages and conjugative plasmids, through the incorporation of short sequences (termed spacers) from the foreign element into the CRISPR array, thereby allowing sequence-specific targeting of the invader. Thus, CRISPR-Cas systems are typically considered a microbial adaptive immune system. While many of these incorporated spacers match targets on bacteriophages and plasmids, a noticeable number are derived from chromosomal DNA. While usually lethal to the self-targeting bacteria, in certain circumstances, these self-targeting spacers can have profound effects in regard to microbial biology, including functions beyond adaptive immunity. In this minireview, we discuss recent studies that focus on the functions and consequences of CRISPR-Cas self-targeting, including reshaping of the host population, group behavior modification, and the potential applications of CRISPR-Cas self-targeting as a tool in microbial biotechnology. Understanding the effects of CRISPR-Cas self-targeting is vital to fully understanding the spectrum of function of these systems.     

CRISPR-Cas系统与细菌和噬菌体的共进化

细菌在适应噬菌体攻击的过程中,进化了多种防御系统,噬菌体在细菌的选择压力下,也在不断进化反防御策略,双方的这种进化关系与发生机制一直尚不完全清楚。近年在细菌和古细菌中发现一种新的免疫防御系统,即CRISPR-Cas(clustered regularly interspaced short palindromic repeats-CRISPR-associated system)系统。在对其功能和作用机制深入研究的同时,也不断地揭示了细菌和噬菌体之间的共进化关系。为此,文章在介绍原核细胞中CRISPR-Cas系统介导的免疫机制基础上,重点综述了CRISPR系统在细菌和噬菌体进化中的作用。