Nature发表重要成果：CRISPR–Cas的抑制系统

　　

生物通报道  来自多伦多大学、蒙大拿州立大学的研究人员，揭示出了anti-CRISPR蛋白抑制CRISPR–Cas的多种机制。新研究结果不仅为阐明CRISPR–Cas的功能机制指明了新途径，并有可能为更好地操控CRISPR–Cas系统提供大量有价值的工具。这一重要的研究发布在9月23日的《自然》（Nature）杂志上。

细菌和感染它们的病毒（噬菌体）之间发生的生存之战，导致进化出了许多的细菌防御系统以及噬菌体编码的对抗系统。CRISPR和cas基因构成的适应性免疫系统是细菌保护自身对抗噬菌体最普遍的一种手段。CRISPR–Cas RNA引导的免疫系统广泛存在于原核生物中，对微生物的进化起重要作用。

近年来，CRISPR–Cas系统的复杂功能机制，以及其能够轻松对任何有机体的遗传信息进行编辑，在基因工程领域和生物领域显示出的巨大应用潜力，吸引了研究人员对这些系统开展深入的研究（延伸阅读：张锋Nature发布CRISPR基因编辑新成果 ）。

当细菌抵御外源DNA入侵时， CRISPR在前导区的调控下首先被转录为长的RNA前体（pre-crRNA），然后加工成一系列短的含有保守重复序列和间隔区的成熟CRISPR RNAs （crRNAs），crRNAs与Cas蛋白结合形成复合物最终识别并剪切与其互补的外源DNA序列。

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在I-F型CRISPR–Cas系统中，Csy4蛋白是CRISPR特异性的核糖核酸内切酶，其可以对pre-crRNA中的每个重复序列进行切割生成长度为60个核苷酸的成熟crRNA。Csy4结合成熟crRNA的3′末端，然后与Csy1、Csy2和Csy3蛋白组装形成350 kDa的监控复合物。这一复合物依赖于32个核苷酸的crRNA片段与入侵的DNA序列进行互补碱基配对。Csy复合物结合靶DNA导致招募了核酸酶-解螺旋酶蛋白Cas3，及随后降解噬菌体基因组。

由多伦多大学Alan R. Davidson和Karen L. Maxwell领导的这一研究小组，早在2012年的Nature杂志上就发表了一篇研究论文，第一次证实一些基因介导了对CRISPR/Cas系统的抑制作用。他们在感染绿脓杆菌（Pseudomonas aeruginosa）的细菌噬菌体中发现了5个不同的I-F型 “anti-CRISPR”基因。并证实噬菌体anti-CRISPR基因突变使得它无法感染具有功能性CRISPR/Cas系统的细菌。将相同的基因添加到CRISPR/Cas靶向噬菌体的基因组中，可以让它逃避CRISPR/Cas系统。研究人员指出，噬菌体编码的这些anti-CRISPR有可能代表了噬菌体战胜非常普遍的CRISPR/Cas系统的一种广泛的机制。

在这篇最新的Nature文章中，研究人员确定了其中三种anti-CRISPR蛋白：AcrF1、AcrF2和AcrF3的功能机制。他们对这些蛋白进行了生物化学及体内研究，证实每一个anti-CRISPR蛋白都通过不同的机制来抑制了CRISPR–Cas的活性。有两个anti-CRISPR阻断了CRISPR–Cas复合物的DNA结合活性，但它们是通过与不同的蛋白质亚基互作，利用了空间或非空间抑制模式来做到这一点的。第三种anti-CRISPR蛋白通过结合Cas3解螺旋酶-核酸酶，阻止其招募到结合DNA的CRISPR–Cas复合物上来起作用。在体内，这一anti-CRISPR可以将CRISPR–Cas系统转变为转录遏制物，首次证实了一种蛋白质相互作用蛋白可以调控CRISPR–Cas活性。作者们认为，这些anti-CRISPR蛋白质不同的序列及作用机制表明了独立的进化，并预示了还存在其他的方式——蛋白质借助于它们改变了CRISPR–Cas的功能。

新研究首次探讨了蛋白质抑制CRISPR–Cas系统的机制。这些多样且不同的机制反映了病毒-宿主军备竞赛深层的进化根源。这些已知和尚有待发现的Anti-CRISPR，将为认识和操控CRISPR–Cas系统提供大量有价值的工具。其中一个例子就是，新研究发现AcrF3通过阻止招募Cas3将CRISPR–Cas系统转变为了一个基因调控因子。由于除了破坏外源DNA，CRISPR–Cas系统还执行着各种功能，许多重要的功能有可能是由与CRISPR–Cas元件互作，由此改变了这一系统活性的蛋白质来完成。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Multiple mechanisms for CRISPR–Cas inhibition by anti-CRISPR proteins

The battle for survival between bacteria and the viruses that infect them (phages) has led to the evolution of many bacterial defence systems and phage-encoded antagonists of these systems. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) and the CRISPR-associated (cas) genes comprise an adaptive immune system that is one of the most widespread means by which bacteria defend themselves against phages1, 2, 3. We identified the first examples of proteins produced by phages that inhibit a CRISPR–Cas system……