产甲烷古菌中CRISPR簇的研究

【目的】通过对51个产甲烷古菌基因组中成簇的规律间隔短回文重复序列(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)的组成和来源进行研究,推测产甲烷古菌与环境中其他微生物的物质交换和相互作用,在基因组水平上阐述产甲烷古菌之间的遗传差异。【方法】利用CRISPRdb和CRISPRFinder,找出产甲烷古菌基因组中所有潜在的CRISPR簇。对CRISPR簇的基本组成部分进行分析:利用BLASTCLUST对重复序列(Repeat)进行分类;分别将间隔序列(Spacer)与Refseq病毒基因组、Refseq质粒基因组和Refseq产甲烷古菌基因组进行比对,从而获得间隔序列的物种来源和功能信息的注释。【结果】在51个产甲烷古菌中共找到了196个CRISPR簇,这些CRISPR簇中包含了总共4 355条间隔序列。在这些产甲烷古菌中,CRISPR簇的分布是不均匀的,且每个物种的间隔序列数量与其CRISPR簇数量是不成正比的。在对重复序列进行分类之后,发现Mclu1是分布最广且最具代表性的一类重复序列。在4 355条间隔序列中有388条具有物种注释信息,266条具有功能注释信息。从CRISPR簇间隔序列的来源来看,产甲烷古菌曾受到来自Poxiviridae、Siphoviridae以及Myoviridae属病毒的攻击,并且产甲烷古菌之间存在比较广泛的遗传物质交换。【结论】产甲烷古菌基因组中的CRISPR簇在组成和来源上存在较大的差异,这些差异与它们的生存环境有较大的关系。从CRISPR簇的角度阐述了产甲烷古菌之间基因组序列的差异。     

基于CRISPR/Cas体系的生物传感器在病原体核酸检测方面的应用

成簇规律间隔短回文重复序列/成簇规律间隔短回文重复序列相关蛋白 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein,CRISPR/Cas) 因高效的靶向结合和可编程性,已被开发为一种精准、高效、低价和高灵敏度的核酸检测工具。目前基于CRISPR-Cas体系的生物传感器在病原体核酸检测方面显示出了优良的性能,受到了人们的广泛关注,这种新型的病原体核酸检测有望替代传统的病原体检测方法。文中就基于CRISPR/Cas体系的生物传感器在病原体核酸检测中的最新研究进展进行综述。     

醋酸菌中CRISPR位点的比较基因组学与进化分析

CRISPR (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)是近几年发现的一种广泛存在于细菌和古菌中,能够应对外源DNA干扰(噬菌体、病毒、质粒等),并提供免疫机制的重复序列结构。CRISPR系统通常由同向重复序列、前导序列、间隔序列和CRISPR相关蛋白组成。本研究以醋酸发酵中常见3个属醋杆菌属(Acetobacter)、葡糖醋杆菌属(Gluconacetobacter)和葡糖杆菌属(Gluconobacter)的48个菌株为研究对象,通过其基因组上CRISPR相关基因序列的生物信息学分析,探索CRISPR位点在醋酸菌中的多态性及其进化模式。结果表明48株醋酸菌中有32株存在CRISPR结构,大部分CRISPR-Cas结构属于type I-E和type I-C类型。除了葡糖杆菌属外,葡糖醋杆菌属和醋杆菌属中的部分菌株含有II类的CRISPR-Cas系统结构(CRISPR-Cas9)。来自不同属菌株的CRISPR结构中重复序列具有较强的保守性,而且部分菌株CRISPR结构中的前导序列具有保守的motif (与基因的转录调控有关)及启动子序列。进化树分析表明cas1适合用于醋酸菌株的分类,而不同菌株间cas1基因的进化与重复序列的保守性相关,预示它们可能受相似的功能选择压力。此外,间隔序列的数量与噬菌体数量及插入序列(Insertion sequence, IS)数量有正相关的趋势,说明醋酸菌在进化过程中可能正不断受新的外源DNA入侵。醋酸菌中CRISPR结构位点的分析,为进一步研究不同醋酸菌株对醋酸胁迫耐受性差异及其基因组稳定性的分子机制奠定了基础。     

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。     

基于CRISPR/Cas技术的核酸检测研究进展

由成簇、规则间隔的短回文重复序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR）和CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated protein,Cas）组成的CRISPR/Cas系统是广泛存在于多数细菌和古细菌中的一种适应性免疫系统。CRISPR/Cas系统可识别并结合外源入侵的核酸分子,之后Cas蛋白的切割活性被激活,能够对入侵的核酸分子进行切割使其降解。利用CRISPR/Cas系统特异的序列识别及切割活性,将其应用于核酸检测中,为提高检测灵敏度及特异性等性能指标提供了一种新思路。本文介绍了CRISPR/Cas系统的发展、作用机制等,对多样化的Cas蛋白在核酸检测中的代表性应用研究进行总结,进一步讨论了CRISPR/Cas技术应用于核酸检测中存在的优缺点,并对未来研究进行了展望,为基于CRISPR/Cas技术的核酸检测方法在病原微生物的检测中提供参考和依据。     

CRISPR-Cas9系统在疾病模型中的应用

规律成簇间隔短回文重复（CRISPR）及相关核酸内切酶（Cas）系统是最近发现的一种关于RNA指导核酸内切酶的基因编辑技术,这一技术的发现促进了生物学和医学研究的发展。CRISPR-Cas9系统的简便性使其广泛应用于细胞基因组编辑、动物模型的构建及疾病模型的基因治疗。现就CRISPR-Cas9系统的结构特点、作用机制及应用进行了综述。     

沙门氏菌CRISPR位点的结构特征比较

成簇规律间隔的短回文重复序列(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR),是存在于多数细菌和古菌中的遗传结构,能够有效防御外源DNA的入侵(质粒、噬菌体等),进而防御外源基因的水平转移。【目的】本研究以沙门氏菌属中常见的鸡伤寒沙门氏菌(Salmonella gallinarum)、鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)、猪霍乱沙门氏菌(Salmonella choleraesuis)以及肠炎沙门氏菌(salmonella enteritidis)等30个菌株为研究对象。探索CRISPR位点在不同沙门氏菌种中的结构差异。【方法】通过生物信息学的方法比较间隔序列与插入序列的同源性以及CRISPR位点与质粒数量关系。【结果】30株沙门氏菌中均存在CRISPR结构,包括CRISPR位点61个以及可疑位点12个。重复序列和cas1基因均不能作为这4类细菌的分类依据。【结论】虽然我们发现CRISPR位点数量与间隔区数量和质粒数量之间均不存在统计学关系,但间隔序列整合子、耐药基因等移动遗传原件具有一定的同源性,说明沙门氏菌在进化过程中不断受外源基因的侵袭。     

CRISPR/Cas9技术在表观基因组中应用的探讨

成簇规律间隔短回文重复序列/成簇规律间隔短回文重复序列关联蛋白9(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated proteins,CRISPR/Cas9)技术是近5年来在生物基因改造中应用最广泛的新型编辑工具,具有成本低、效率高、多位点打靶以及脱靶效应可预测等优点,正在成为不同生物体中设计基因组的有力工具。表观遗传的不断发展对分子生物学的中心法则提出挑战,包括DNA中碱基和组蛋白的修饰、非编码RNA对基因组和染色质结构的调节中都起到至关重要的作用。对CRISPR/Cas9系统的改造可以对表观基因组进行修饰。对CRISPR/Cas9系统在表观基因组中进行修饰的应用进行概述,讨论了定向修饰基因组存在的问题,以期为CRISPR/Cas9系统在基因组编辑领域的应用提供参考。     

CRISPR/Cas9无所不能?

正CRISPR-Cas9(规律成簇的间隔短回文重复相关蛋白9,clustered regularly interspaced short palindromic repeats(CRISPR)-associated protein 9)是原核生物在长期演化中形成的用来对抗病毒或外源DNA入侵的适应性免疫防御机制.2013年,研究人员首次报道改造后的CRISPR/Cas9系统可实现快速、特异和高效地切割真核细胞DNA[1,2].随后,CRISPR/Cas9在多个物种中的基因编辑能力被相继证实,并经过多种巧妙的改造,为生物     

CRISPRs基因编辑技术研究进展

CRISPR(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats)基因簇是一段成簇的短间距回文非编码序列,它可以通过整合新的间隔子序列实现对入侵外源DNA的记忆,而Cas(CRISPR-associated protein)蛋白则负责辅助CRISPR的转录产物cr RNA(CRISPR RNA),对外源DNA进行切割。二者协作组成了生物体的CRISPR-Cas系统,发挥抵御外源DNA侵染的作用。目前,CRISPR-Cas系统凭借着高效、简单、低成本、高特异性的独特优势迅速吸引了整个科学界的注意,成为研究的一大热点。对CRISPR-Cas系统的组成、结构、分型以及CRISPR技术作用机理、优势等做了详细的介绍,并以嗜热链球菌为例,分析了CRISPR基因的碱基排布及其高级结构,旨在为分子生物学及相关领域的科学研究提供参考。     

铁矿物强化厌氧氨氧化效能及其微生物机制研究进展

自然界中的氮循环与铁循环相互交联,参与氮循环的厌氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation,anammox）菌的生长代谢及活性发挥也与铁元素紧密关联。自然界广泛存在的铁矿物因具有运行成本低廉、稳定性好、二次污染小等优势,在污水处理领域得到广泛应用。在厌氧氨氧化脱氮系统中引入适量铁矿物,不仅有助于促进anammox菌和铁还原菌的富集,提高功能基因丰度和相关酶活性,还可能通过影响污泥浓度、血红素c含量、胞外聚合物含量和颗粒化程度,改善污泥性能和提高厌氧氨氧化系统的稳定性。同时,铁矿物具有促进体系多种氮素转化途径（如anammox、铁自养反硝化、铁氨氧化、异化硝酸盐还原成铵和反硝化）相耦合的潜能,可以提高anammox污水处理系统的总氮去除率。本文基于铁矿物在促进污水生物脱氮方面的良好性能及其在anammox系统中的变化,从脱氮效能、污泥特性、微生物特征及酶活性等方面,系统综述了铁矿物对厌氧氨氧化系统的强化作用机制,并从anammox菌对铁矿物的利用及铁元素的摄取角度展望了后续的研究方向,以期为铁矿物强化厌氧氨氧化系统的实际应用提供理论和技术指导。     

高含氮稻田深层土壤的氨氧化古菌和厌氧氨氧化菌共存及对氮循环影响

随着海洋生态系统中的厌氧氨氧化反应和氨氧化古菌的发现,自然生态系统的氮循环过程被重新认识,但是目前尚无在陆地深层的相关报道。结合同位素示踪与分子生物学技术探索了稻田深层土壤中anammox与AOA的存在及特性。结果表明,在沼渣处理废水浇灌的高含氮稻田深层土壤中,anammox与AOA共存。通过构建克隆文库发现,此土壤中厌氧氨氧化菌的生物多样性相对较低,35个克隆序列只分为4个独立操作单元(OTU),代表序列与Genebank数据库中已探明的厌氧氨氧化菌Candidatus 'Kuenenia stuttgartiensis’的同源性超过95%;对氨氧化古菌的分析发现,20个克隆子共得到5个OTU,其与基因库中土壤/沉积物进化分支关系最近,序列的同源性部分超过98%。同位素示踪的初步结果表明,anammox产生的氮气占此土壤总氮气生成量的24.1%-29.8%。AOA与anammox的共存为anammox反应的广泛存在与发生提供了新思路。     

全程硝化菌微生物学特性及在水处理领域的应用潜力

全程硝化菌是近期微生物氮循环领域的重大发现之一,引发了对其全球分布、系统发育特征和生理生化特性的广泛关注。本文综述了全程硝化菌在土壤、地表水、废水处理系统等生境的分布规律及影响因子;并从底物亲和力、代谢多样性等方面阐述了其与传统硝化微生物间的竞争互作和生态位分离机制;基于上述特征提出全程硝化菌在水处理领域中的应用前景,可能与其他脱氮微生物如反硝化菌、厌氧氨氧化菌和厌氧甲烷氧化菌等耦合实现在低氨氮、低溶解氧条件下的污水深度脱氮,从而节省能耗并降低温室气体排放。未来研究应继续深入研究全程硝化菌的生理生化特性,评价其生态功能和对氮素地球化学循环的贡献,并探索其在生物水处理等领域的应用潜力。     

Complete ammonia oxidization in agricultural soils: High ammonia fertilizer loss but low N2O production

The contribution of agriculture to the sustainable development goals requires climate-smart and profitable farm innovations. Increasing the ammonia fertilizer applications to meet the global food demands results in high agricultural costs, environmental quality deterioration, and global warming, without a significant increase in crop yield. Here, we reported that a third microbial ammonia oxidation process, complete ammonia oxidation (comammox), is contributing to a significant ammonia fertilizer loss (41.9 ± 4.8%) at the rate of 3.53 ± 0.55 mg N kg⁻¹ day⁻¹ in agricultural soils around the world. The contribution of comammox to ammonia fertilizer loss, occurring mainly in surface agricultural soil profiles (0–0.2 m), was equivalent to that of bacterial ammonia oxidation (48.6 ± 4.5%); both processes were significantly more important than archaeal ammonia oxidation (9.5 ± 3.6%). In contrast, comammox produced less N₂O (0.98 ± 0.44 μg N kg⁻¹ day⁻¹, 11.7 ± 3.1%), comparable to that produced by archaeal ammonia oxidation (16.4 ± 4.4%) but significantly lower than that of bacterial ammonia oxidation (72.0 ± 5.1%). The efficiency of ammonia conversion to N₂O by comammox (0.02 ± 0.01%) was evidently lower than that of bacterial (0.24 ± 0.06%) and archaeal (0.16 ± 0.04%) ammonia oxidation. The comammox rate increased with increasing soil pH values, which is the only physicochemical characteristic that significantly influenced both comammox bacterial abundance and rates. Ammonia fertilizer loss, dominated by comammox and bacterial ammonia oxidation, was more intense in soils with pH >6.5 than in soils with pH <6.5. Our results revealed that comammox plays a vital role in ammonia fertilizer loss and sustainable development in agroecosystems that have been previously overlooked for a long term.     

Enhancing mainstream nitrogen removal by employing nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation processes

Due to serious eutrophication in water bodies, nitrogen removal has become a critical stage for wastewater treatment plants (WWTPs) over past decades. Conventional biological nitrogen removal processes are based on nitrification and denitrification (N/DN), and are suffering from several major drawbacks, including substantial aeration consumption, high fugitive greenhouse gas emissions, a requirement for external carbon sources, excessive sludge production and low energy recovery efficiency, and thus unable to satisfy the escalating public needs. Recently, the discovery of anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria has promoted an update of conventional N/DN-based processes to autotrophic nitrogen removal. However, the application of anammox to treat domestic wastewater has been hindered mainly by unsatisfactory effluent quality with nitrogen removal efficiency below 80%. The discovery of nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation (n-DAMO) during the last decade has provided new opportunities to remove this barrier and to achieve a robust system with high-level nitrogen removal from municipal wastewater, by utilizing methane as an alternative carbon source. In the present review, opportunities and challenges for nitrate/nitrite-dependent anaerobic methane oxidation are discussed. Particularly, the prospective technologies driven by the cooperation of anammox and n-DAMO microorganisms are put forward based on previous experimental and modeling studies. Finally, a novel WWTP system acting as an energy exporter is delineated.     

酸性土壤氨氧化微生物及其影响因素研究进展

自然条件变化和人类活动不仅加剧了土壤酸化,扩大了酸性土壤面积,而且严重影响了土壤氮循环。氨氧化过程作为硝化作用的限速步骤,是全球氮循环的核心环节,受到国内外研究者的广泛关注。探究酸性土壤氨氧化作用及其功能微生物对完善氮循环机制和促进土壤养分循环具有重要意义。本文主要综述了土壤中氨氧化代谢途径,对比了氨氧化细菌(ammoniaoxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)和全程硝化菌(complete ammoniaoxidizers,Comammox)对酸性土壤氨氧化作用的相对贡献,分析了微生物内源功能差异及pH、底物浓度等外部环境因素对氨氧化微生物丰度、活性和群落结构的影响,最后对氨氧化微生物研究进行了展望,以期为酸性土壤氨氧化作用研究和微生物修复技术应用与实践提供科学参考。     

Phylogenetic and functional marker genes to study ammonia-oxidizing microorganisms (AOM) in the environment

The oxidation of ammonia plays a significant role in the transformation of fixed nitrogen in the global nitrogen cycle. Autotrophic ammonia oxidation is known in three groups of microorganisms. Aerobic ammonia-oxidizing bacteria and archaea convert ammonia into nitrite during nitrification. Anaerobic ammonia-oxidizing bacteria (anammox) oxidize ammonia using nitrite as electron acceptor and producing atmospheric dinitrogen. The isolation and cultivation of all three groups in the laboratory are quite problematic due to their slow growth rates, poor growth yields, unpredictable lag phases, and sensitivity to certain organic compounds. Culture-independent approaches have contributed importantly to our understanding of the diversity and distribution of these microorganisms in the environment. In this review, we present an overview of approaches that have been used for the molecular study of ammonia oxidizers and discuss their application in different environments.     

从典型硝化细菌到全程氨氧化微生物：发现及研究进展

生物硝化过程在全球氮循环中起关键性作用,被认为由氨氮氧化成亚硝酸盐和亚硝酸盐氧化成硝酸盐两个步骤组成,分别由氨氧化微生物(Ammonia oxidizing microorganisms,AOM)和硝化细菌(Nitrite oxidizing bacteria,NOB)催化完成。AOM包括氨氧化细菌(Ammonia oxidizing bacteria,AOB)和氨氧化古菌(Ammonia oxidizing archaea,AOA),AOB与AOA分布广泛,两者的相对丰度和氨氮浓度密切相关。2015年底,3个硝化螺菌属(Nitrospira)谱系Ⅱ的NOB被证实含有AOM的特征功能酶,包括氨单加氧酶(AMO)和羟胺脱氢酶(HAO),并证明NOB同时具有氨氧化和亚硝酸盐氧化的能力,命名为全程氨氧化微生物(Complete ammonia oxidizer,Comammox)。根据AMO的α亚基基因amoA的相似性将Comammox分为两大分支clade A和clade B。它们广泛分布于自然环境和人工系统,包括土壤(稻田、森林)、淡水(湿地、河流、湖泊沉积物、蓄水层)、污水处理厂和自来水厂等。本文综述了Comammox的发现及其最新的研究进展,并展望了Comammox作为氮循环关键功能菌群的研究方向和应用前景。     

亚热带米槠天然林土壤氨氧化微生物对模拟氮沉降的响应

我国亚热带地区是全球氮沉降的热点区域。氮沉降会影响氨氧化微生物的丰度和群落结构,进而改变土壤微生物驱动的养分循环。目前对新近发现的完全氨氧化菌认识不足,极大地制约了对森林土壤氨氧化微生物响应氮沉降的整体认识。本研究以福建省三明市辛口镇格氏栲自然保护区长期模拟氮沉降处理土壤为研究对象,利用实时定量PCR方法,研究氨氧化微生物(包括氨氧化细菌AOB、氨氧化古菌AOA和完全氨氧化菌comammox Nitrospira),尤其是完全氨氧化菌的amoA基因丰度。模拟氮沉降处理包括:不添加N(CK)、低氮(添加40 kg N·hm^-2·a^-1,LN)和高氮(添加80 kg N·hm^-2·a^-1,HN)。结果表明: 8年的氮添加降低了土壤pH值和有机碳含量,提高了土壤硝态氮含量。供试土壤的AOB丰度低于检测限,无法获得目的片段。高氮处理显著提高了AOA丰度,但对完全氨氧化菌clade A和clade B丰度无显著影响。两种氮添加处理均降低了完全氨氧化菌/AOA值,表明氮添加降低了完全氨氧化菌在亚热带森林土壤氨氧化微生物类群中的相对竞争力。针对完全氨氧化菌clade A和clade B的扩增都存在非特异性产物,表明针对森林土壤的高特异性和覆盖度设计引物的必要性。Clade A和clade B丰度与总氮和铵态氮含量呈显著正相关,clade B丰度还与有机碳含量呈显著正相关。总之,模拟氮沉降提高了AOA在亚热带米槠天然林土壤硝化过程中的相对重要性,这些发现可为该地区应对全球变化和氮沉降的风险评估提供理论依据。     

Aerobic and Anaerobic Ammonia-Oxidizing Microorganisms in Low-Temperature Hydrothermal Fe-Si-rich Precipitates of the Southwestern Pacific Ocean

Fe-Si-rich hydrothermal precipitates are distributed widely in low-temperature diffusing hydrothermal fields. Due to the significant contribution of Fe-oxidizing bacteria (FeOB) to the formation of this type of hydrothermal precipitates, previous studies focus mostly on investigating FeOB-related microbial populations, albeit these precipitates actually accommodate abundant other microbial communities, particularly those involved in marine nitrogen cycle. In this study, we investigated the composition, diversity, and abundance of aerobic and anaerobic ammonia-oxidizing microorganisms dwelling in low-temperature Fe-Si-rich hydrothermal precipitates of the Lau Integrated Study Site based on ammonia monooxygenase (amoA) gene and 16S rRNA gene. Phylogenetic analysis revealed the common presence of ammonia-oxidizing archaea (AOA), Nitrosospira-like ammonia-oxidizing bacteria (AOB) and anaerobic ammonium-oxidizing anammox (bacteria) in the Fe-Si-rich hydrothermal precipitates. Quantitative PCR analysis showed that AOA dominated the whole microbial community and the abundance of archaeal amoA gene was 2–3 orders of magnitude higher than that of AOB and anammox bacteria. Result of glycerol dialkyl glycerol tetraether analysis confirmed the presence and abundance of AOA. Our results suggest that microbial ammonia oxidations, especially archaeal aerobic ammonia oxidation, are prevalent and pivotal processes in low-temperature diffusing hydrothermal fields.

Supplemental materials are available for this article. Go to the publisher's online edition of Geomicrobiology Journal to view the supplemental file.