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彭楠教授團隊揭示DNA受CRISPR自免疫損傷的修復機制
發布時間:2020-09-02

近日,Nucleic Acids Research在線發表了農業微生物學國家重點實驗室、生命科學技術學院彭楠教授團隊研究成果,題為“A CRISPR-associated factor Csa3a regulates DNA damage repair in Crenarchaeon Sulfolobus islandicus”。研究揭示了調控蛋白Csa3a對CRISPR自免疫造成的基因組DNA損傷的修復調控機制,為進一步研究CRISPR-Cas系統自身免疫與維持基因組穩定性之間的聯系奠定了基礎。

CRISPR-Cas系統是原核生物抵御外源入侵遺傳元件(MGE)的獲得性免疫系統。CRISPR-Cas系統行使免疫功能受到轉錄因子、信號分子等嚴格地調控。在前期研究中,研究團隊發現,冰島硫化葉菌(Sulfolobus islandicus)REY15A的CRISPR-Cas系統關聯轉錄因子Csa3a可觸發CRISPR-Cas系統原發免疫適應(de novo spacer acquisition),獲取新gRNA (spacer)編碼序列 (Liu et al., 2015, Nucleic Acids Res)。同時,Csa3a蛋白調控Sulfolobus DNA損傷修復的一系列基因的表達(Liu et al., 2017, Nucleic Acids Res)。然而,Csa3a調控的DNA損傷修復機制尚未可知。

作者通過缺失csa3a基因發現,缺失csa3a基因后DNA損傷響應基因(DNA damage response, DDR)的轉錄水平均發生了下調。這些DDR基因包括在冰島硫化葉菌中響應UV誘導DNA損傷的纖毛操縱子(ups)和DNA跨膜傳遞系統(ced)操縱子等。體外實驗結果表明,Csa3a蛋白可特異性地結合上述DDR基因的啟動子,結合轉錄組數據與報告基因系統實驗結果,揭示了Csa3a蛋白對DDR的轉錄激活作用。

同時,與野生型菌株相比,缺失csa3a基因可顯著抑制在DNA損傷劑處理情況下由Ups系統介導的細胞聚集,降低csa3a缺失菌株的存活率等。DNA傳輸和修復實驗結果表明,Ced系統可修復CRISPR干涉造成的自身基因組損傷,且缺失csa3a基因可顯著降低該損傷修復效率(圖1)。

圖1. DNA傳輸和修復實驗

圖1. DNA傳輸和修復實驗

CRISPR免疫適應(Adaptation)除了觸發獲得大部分針對MGE的免疫適應外,也會獲得少部分針對自身基因組DNA的免疫適應,因此會造成自免疫損傷。在前期的研究中,可移動遺傳因子MGE(mobile genetic elements)的入侵會激活全局調控因子Csa3a蛋白表達(Leon-Sobrino et al., 2016, Mol Microbiol),被激活的Csa3a蛋白在免疫適應(Adaptation)過程中也會獲得少量的自身基因組DNA的免疫適應,造成DNA損傷。

在該研究中,作者發現,CRISPR自免疫損傷自身基因組時,Csa3a蛋白可調控跨細胞DNA傳遞系統參與DNA修復,修復發生在CRISPR-Cas系統免疫適應(Adaptation)時產生的DNA斷裂處以及自我免疫的靶區,從而使宿主丟失來源于自身基因組的免疫適應和修復宿主基因組斷裂的靶區,進而維持了自免疫后基因組的穩定性(圖2)。

圖2. Csa3a調控Ups和Ced系統參與修復由CRISPR自免疫造成的基因組DNA損傷


圖2. Csa3a調控Ups和Ced系統參與修復由CRISPR自免疫造成的基因組DNA損傷

我校農業微生物學國家重點實驗室、生命科學技術學院博士生劉真真為該論文的第一作者,彭楠教授為論文通訊作者。該研究受到了國家自然科學基金,博士后創新人才支持計劃,中國博士后科學基金和湖北省自然科學基金等項目的資助。

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