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Nature:葡萄球菌利用CRISPRs系统区分好病毒和坏病毒

摘要 : 洛克菲勒大学的研究人员以葡萄球菌为研究对象发现,葡萄球菌CRISPR-CAS系统可以防止裂解性感染,但不能阻止温和性噬菌体的溶原化。表明了一种可能性:每种CRISPR类型和亚型都是以不同的方式来识别和破坏它的靶标,各自调整满足特定细菌的需要。相关文章发表于2014年8月31日的《Nature》杂志上。

Nature:葡萄球菌利用CRISPRs系统区分好病毒和坏病毒

病毒在它们的溶菌阶段时,利用细胞的机器来复制自身,然后破坏细胞释放出新病毒。与此同时,病毒在它们的溶菌阶段悄悄地整合到宿主遗传物质之中。这就是它们向细菌提供潜在利益之处,细菌可以挑选出一些病毒基因来实现自身的目的。实际上,一些致病微生物,例如白喉致病菌就必须带上适合的病毒来攻击人类。

科学家们直到最近才发现这一适应性细菌免疫系统。它的功能依赖于CRISPRs。CRISPR序列与病毒遗传密码中的序列相匹配,CRISPR相关基因(CRISPR-associated genes,Cas)编码的酶将CRISPR DNA转录的RNA中的间隔序列切除出来。随后其他Cas酶利用这些间隔序列作为引导靶向破坏入侵者。

这一系统可通过获取新的间隔序列来使自身适应新入侵者靶向它们。由于能够对DNA进行精确靶向切割,可利用来对所有细胞类型进行遗传工程改造,最近CRISPR-Cas系统受到科学界的高度关注。

洛克菲勒大学的研究人员以葡萄球菌为研究对象,以往的大部分工作都是将焦点放在裂解病毒上。然而,葡萄球菌中存在有许多能够进入溶菌阶段的病毒。研究人员还发现了一种显著不对称:葡萄球菌CRISPR系统能够有效地靶向两条互补DNA链上的一段序列和它的对应序列。他们怀疑产生这种矛盾的原因是大多数的病毒基因朝着单一方向进行转录,这意味着两条靶DNA链有一条不转录。

在一系列的试验中,他和同事们检测了他们的假设:称作为Type III-A的葡萄球菌CRISPR-Cas系统可以容忍溶原病毒感染,只要靶序列不被转录。他们设计了一段靶序列,其只在存在一种特异化学物质时才发生转录。因此Type III-A CRISPR-Cas系统只在存在这种化学物质时破坏靶标。

细菌学实验室主任Luciano Marraffini说:“发现这种转录要求有可能让许多从事这些系统研究工作的人感到惊讶。尽管我们还不知道这背后的机制,我们可以说Type -III-A系统完全不同于其他的CRISPR-Cas系统,CRISPR-Cas系统有着多种神秘的类型。我们的研究发现表明了一种可能性:每种CRISPR类型和亚型都是以不同的方式来识别和破坏它的靶标,各自调整满足特定细菌的需要。如果确实存在这些不同的靶向机制,它们对于生物技术可能具有重要的意义。”

原文摘要:

Conditional tolerance of temperate phages via transcription-dependent CRISPR-Cas targeting

Gregory W. Goldberg, Wenyan Jiang, David Bikard & Luciano A. Marraffini

A fundamental feature of immune systems is the ability to distinguish pathogenic from self and commensal elements, and to attack the former but tolerate the latter. Prokaryotic CRISPR-Cas immune systems defend against phage infection by using Cas nucleases and small RNA guides that specify one or more target sites for cleavage of the viral genome. Temperate phages include viruses that can integrate into the bacterial chromosome, and they can carry genes that provide a fitness advantage to the lysogenic host. However, CRISPR-Cas targeting that relies strictly on DNA sequence recognition provides indiscriminate immunity both to lytic and lysogenic infection by temperate phages—compromising the genetic stability of these potentially beneficial elements altogether. Here we show that the Staphylococcus epidermidis CRISPR-Cas system can prevent lytic infection but tolerate lysogenization by temperate phages. Conditional tolerance is achieved through transcription-dependent DNA targeting, and ensures that targeting is resumed upon induction of the prophage lytic cycle. Our results provide evidence for the functional divergence of CRISPR-Cas systems and highlight the importance of targeting mechanism diversity. In addition, they extend the concept of ‘tolerance to non-self’ to the prokaryotic branch of adaptive immunity.

来源: Nature 浏览次数:128

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