Nature:重大突破!發現III型CRISPR-Cas系統新的作用機制

2021-01-17 生物谷

圖片來自Vossman/ Wikipedia。


2017年7月19日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中,瑞士蘇黎世大學的Martin Jinek領導的一個國際研究團隊史無前例地發現細菌保護自己免受侵入性病毒攻擊的一種新的防禦機制。當遭受入侵時,作為細菌免疫系統的CRISPR-Cas系統產生一種化學信號來激活第二種酶,從而協助降解這些入侵者的遺傳物質。這一過程非常類似於人先天性免疫系統的一種抗病毒機制。相關研究結果於2017年7月19日在線發表在

Nature

期刊上,論文標題為「Type III CRISPR–Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers」。

CRISPR-Cas系統是在很多細菌中發現的一種免疫系統。當病毒和其他的分子寄生物入侵細菌和接管它的基因組時,這種系統讓細菌對這些入侵者產生抵抗性。在這種系統中,細菌的免疫力是由一種複雜的多蛋白分子複合物介導的,該複合物利用作為分子嚮導的RNA分子識別這些入侵者和靶向摧毀它們。在此之前,人們已知道這種複合物具有核酸酶活性,因而它能夠直接地降解入侵性病毒中的DNA和RNA。如今,Martin Jinek領導的這個國際研究團隊發現這種系統摧毀這些入侵者的一種新的價機制。

信號分子激活另一種抗病毒酶

CRISPR-Cas系統的這種靶向複合物由源自規律間隔性成簇短回文重複序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)的RNA序列(即crRNA)和CRISPR相關蛋白(CRISPR-associated proteins, Cas)組成。crRNA識別入侵性病毒的遺傳物質,而Cas蛋白像一把分子剪刀那樣切割它。在CRISPR-Cas系統的一個亞型(被稱作III型CRISPR-Cas系統)中,該團隊取得一項令人吃驚的發現。當這種靶向複合物識別入侵性病毒時,它合成「第二種信使」:一種小的環狀RNA分子,即環寡腺苷酸(cyclic oligoadenylate)。這種信號分子能夠在細菌細胞內擴散,激活另一種被稱作Csm6的RNA降解酶,這種RNA降解酶協助破壞這種病毒的RNA。

目前已在細菌中發現三類CRISPR/Cas系統,I型和III型系統需要眾多蛋白的參與。II型系統就簡單得多了,一個Cas9核酸酶利用嚮導RNA(gRNA)就可以完成識別和切割靶雙鏈DNA,因此II型系統也被稱作CRISPR/Cas9系統。

這種機制與人先天性免疫系統的抗病毒機制相類似

Martin Jinek解釋道,「通過這種方式,當被感染的細菌細胞中的這種CRISPR-Cas系統遭受威脅時,它通過釋放第二種信使拉響警報,獲得來自另外一種防禦機制的幫助,從而清除入侵的病毒。」

在這項新的研究中,這些研究人員能夠在細菌中鑑定出一種新的防禦機制。其次,由這種CRISPR-Cas系統產生的第二種信使分子之前從未在自然中觀察到。再者,這種新發現的細菌防禦機制與在人先天性免疫系統中運行的一種廣為人所知的抗病毒機制存在著一些意想不到的相似之處。Martin Jinek補充道,「因此,細菌以它們自己的方式抵抗病毒感染,而且這種方式非常類似於人細胞的抵抗方式。」(生物谷 Bioon.com)

參考資料:Ole Niewoehner et al. Type III CRISPR–Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers, Nature (2017), doi:10.1038/nature23467

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