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。     

细菌与噬菌体相互抵抗机制研究进展

噬菌体作为一种侵染细菌的病毒,能够特异性识别宿主细菌。近年来,抗生素的过度使用导致耐药细菌的出现,噬菌体有望成为对抗耐药细菌的新武器。在细菌与噬菌体长期共进化过程中,二者都演化出一系列抵御策略。本文从抑制噬菌体吸附、阻止噬菌体DNA进入、切割噬菌体基因组、流产感染以及群体感应对噬菌体的调控等方面,对细菌抵抗噬菌体的机制以及噬菌体应对细菌的策略进行了综述,同时还列举了细菌和噬菌体相互抵抗机制的检测方法,以期为噬菌体在细菌控制中的应用以及探究细菌抵抗噬菌体的机制提供理论依据。     

细菌的噬菌体感染抗性机制

噬菌体广泛存在于生态环境中。细菌在与噬菌体长期的共进化过程中,衍化出了多种针对噬茵体感染的抗性机制。我们从宿主菌的抑制吸附、阻止噬菌体DNA注入、切断噬菌体DNA和影响其功能及流产感染等方面,对宿主菌抵抗噬菌体感染的机制进行了综述。     

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。     

基于CRISPR-Cas系统的基因组定点修饰新技术

CRISPR(clustered regulatory interspersed short palindromic repeat)序列源于原核生物的一种获得性免疫系统,协同Cas(CRISPR-associated)蛋白家族参与抵抗噬菌体或其它病毒的二次感染,广泛存在于细菌(60%)和古菌(90%)中.病菌和宿主的共同进化导致了CRISPR-Cas系统具有多样性,可分为3大类(Ⅰ-Ⅲ),又分为10亚类.在Ⅱ型CRISPR-Cas系统基础上建立了RNA介导的CRISPR-Cas系统来修饰(删除、添加、激活、抑制)靶细胞中特定的基因序列,现已在人类细胞、小鼠、斑马鱼、酵母、细菌、果蝇、线虫、拟南芥中得以应用.本文主要介绍了Ⅱ型CRISPR-Cas系统的结构特点、作用机理及作为新型基因组定点修饰技术的研究进展,分析该技术优势,并展望CRISPRCas系统的应用前景.     

假单胞菌噬菌体基因组学研究进展

假单胞菌属(Pseudomonasspp.)是地球上重要的生态菌群之一,广泛分布于淡水、土壤等生态环境。假单胞菌噬菌体是以假单胞菌为宿主的病毒,不仅影响宿主的生存状况和进化过程,而且在生物物质循环和能量流动中扮演着重要角色。随着基因组测序技术的飞速发展,许多假单胞菌噬菌体的全基因组测序工作已经完成。截至2020年7月,GenBank收录的假单胞菌噬菌体基因组数有247条,占全部病毒基因组(10,069条)的2.45%。由于假单胞菌噬菌体基因组大小差异较大、遗传含量不同、基因组之间相似性较低,因此对假单胞菌噬菌体基因组的研究相对较少。本文主要对假单胞菌噬菌体基因组的特点、遗传多样性和功能基因方面的研究进行了综述,以期为理解细菌和噬菌体的对抗性共进化作用以及噬菌体的遗传进化提供参考。     

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。     

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。     

针对第2大类CRISPR-Cas系统的acr基因的发现及Acr蛋白多样化的抑制机制

CRISPR-Cas系统是细菌和古细菌来源的RNA介导的适应性免疫系统,利用RNA介导的核酸酶活性抵抗以噬菌体为代表的外源核酸的入侵.为逃避这种来源于宿主的免疫反应,噬菌体进化出了较小的anti-CRISPR蛋白(Acr). Acrs采用不同的抑制策略,将Cas效应蛋白限制在不同的阶段,从而使其失活.随着Cas蛋白在生物技术领域和临床上的广泛应用, Acr已被开发为有用的调控工具.对Acr的研究不仅可以加深人们对Cas蛋白别构调控的理解,而且可以为开发新型的基于Acr的调控工具打下基础.利用实验和生物信息学的手段,越来越多的Acr被发现,其中第2大类CRISPR-Cas系统目前有大约50种.本综述聚焦于第2大类CRISPR-Cas系统的Acr,从基因发现、抑制机制和技术应用三个方面对其进行总结,并对未来的研究方向做出展望.     

噬菌体的"关闭宿主"功能

噬菌体基因组编码产生某些特殊的蛋白质分子,可与宿主菌生长、代谢的重要调控性蛋白质结合,并使其钝化,从而阻断宿主的生长与繁殖,将宿主菌大分子合成机制和能量装置转向噬菌体自身的复制与增殖。目前研究所获得的有关噬菌体“关闭宿主”功能的证据,主要涉及噬菌体编码的某些蛋白质分子与宿主菌的DNA复制及转录相关因子的相互作用,而这些蛋白质-蛋白质分子间的相互作用将为我们提供新的抗菌药物或抗菌药物作用的靶点,也有助于生物系统进化关系及蛋白质-蛋白质相互作用关系的研究。     

Cytokines and bacterial infections

During the recent 10–15 years a growing amount of knowledge has been accumulated on the role of cytokines in the pathogenesis and resistance to infections caused by nonviral agents, including a wide range of bacteria. Cytokines can be major mediators of the pathogenic effect in some diseases, and represent important defense mechanisms in others. Detailed knowledge on the role of the growing number of recognised cytokines is important, because it may represent means to combat and to prevent diseases caused by such infections.     

Genomics and bacterial metabolism

The field of bacterial metabolism and physiology is arguably the oldest in microbiology. Much of our understanding of biological processes and molecular paradigms has its roots In early studies of prokaryotic physiology. After a period of declining interest in metabolic studies (prompted by the insurgence of molecular techniques), genomic technologies are revitalizing the study of bacterial metabolism and physiology. These new technologies bring a means to approach metabolic questions with a global perspective. When used in combination with classical and molecular techniques, emerging global technologies will make it feasible to understand the complex integration of metabolic processes that result in an efficient physiology. At the same time, without increased computational capabilities, the massive amounts of data generated by these technologies threaten to overwhelm, rather than facilitate, this work. For genomic technologies to reach their potential for increasing our understanding of bacterial metabolism, microbiologists must become more collaborative and multidisciplinary than at any time in our history.