彭楠團(tuán)隊(duì)報(bào)道：微生物通過(guò)調(diào)控細(xì)胞間的DNA傳遞用于修復(fù)CRISPR自免疫損傷的基因組DNA
2020年8月24日，Nucleic Acids Research在線發(fā)表了題為A CRISPR-associated factor Csa3a regulates DNA damage repair in Crenarchaeon Sulfolobus islandicus的研究論文，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。
CRISPR-Cas系統(tǒng)是原核生物抵御外源入侵遺傳元件（MGE）的獲得性免疫系統(tǒng)。CRISPR-Cas系統(tǒng)行使免疫功能受到轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)分子等嚴(yán)格地調(diào)控。在前期研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)冰島硫化葉菌（Sulfolobus islandicus）REY15A的CRISPR-Cas系統(tǒng)關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)錄因子Csa3a可觸發(fā)CRISPR-Cas系統(tǒng)原發(fā)免疫適應(yīng)（de novo spacer acquisition），獲取新gRNA (spacer)編碼序列 (Liu et al., 2015, Nucleic Acids Res)。同時(shí)，Csa3a蛋白調(diào)控Sulfolobus DNA損傷修復(fù)的一系列基因的表達(dá)(Liu et al., 2017, Nucleic Acids Res)。然而，Csa3a調(diào)控的DNA損傷修復(fù)機(jī)制尚未可知。
在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)缺失csa3a基因后DNA損傷響應(yīng)基因（DNA damage response, DDR）的轉(zhuǎn)錄水平均發(fā)生了下調(diào)。這些DDR基因包括在冰島硫化葉菌中響應(yīng)UV誘導(dǎo)DNA損傷的纖毛操縱子（ups）和DNA跨膜傳遞系統(tǒng)（ced）操縱子等。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Csa3a蛋白可特異性地結(jié)合上述DDR基因的啟動(dòng)子，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與報(bào)告基因系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了Csa3a蛋白對(duì)DDR的轉(zhuǎn)錄激活作用。同時(shí)，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(tǒng)介導(dǎo)的細(xì)胞聚集，降低csa3a缺失菌株的存活率等。DNA傳輸和修復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ced系統(tǒng)可修復(fù)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(fù)效率（圖1）。
圖1.DNA傳輸和修復(fù)實(shí)驗(yàn)
CRISPR免疫適應(yīng)（Adaptation）除了觸發(fā)獲得大部分針對(duì)MGE的免疫適應(yīng)外，也會(huì)獲得少部分針對(duì)自身基因組DNA的免疫適應(yīng)，因此會(huì)造成自免疫損傷。在前期的研究中，可移動(dòng)遺傳因子MGE（mobile genetic elements）的入侵會(huì)激活全局調(diào)控因子Csa3a蛋白表達(dá)(Leon-Sobrino et al., 2016, Mol Microbiol)，被激活的Csa3a蛋白在免疫適應(yīng)（Adaptation）過(guò)程中也會(huì)獲得少量的自身基因組DNA的免疫適應(yīng)，造成DNA損傷。本研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR自免疫損傷自身基因組時(shí)，Csa3a蛋白可調(diào)控跨細(xì)胞DNA傳遞系統(tǒng)參與DNA修復(fù)，修復(fù)發(fā)生在CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫適應(yīng)（Adaptation）時(shí)產(chǎn)生的DNA斷裂處以及自我免疫的靶區(qū)，從而使宿主丟失來(lái)源于自身基因組的免疫適應(yīng)和修復(fù)宿主基因組斷裂的靶區(qū)，進(jìn)而維持了自免疫后基因組的穩(wěn)定性（圖2）。
圖2. Csa3a調(diào)控Ups和Ced系統(tǒng)參與修復(fù)由CRISPR自免疫造成的基因組DNA損傷
本研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金，博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，中國(guó)博士后科學(xué)基金和湖北省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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