Nature：基于RNA的抗CRISPR噬菌体抑制CRISPR–Cas免疫

论文ID

题目：Bacteriophages suppress CRISPR–Cas immunity using RNA-based anti-CRISPRs

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年10月18日

通讯作者单位：哥本哈根大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06612-5

主要内容：

细菌和古细菌是微生物，它们经常使用称为CRISPR的RNA引导防御来破坏感染它们的病毒的基因组。现在看来，病毒产生的RNA可以作为模拟物来转移这种防御。

尽管无处不在的病毒（称为噬菌体或噬菌体）可以感染它们，但细菌和古细菌等微生物仍在蓬勃发展。这种弹性部分是由于阻挠病毒感染的抗噬菌体防御系统的进化。.《自然》杂志，Camara-Wilpert等人揭示一种以前未知的策略，病毒用它来将抗病毒防御转移到死胡同。

在抗噬菌体系统中，最突出的是所谓的适应性免疫通路。这些依赖于称为CRISPR的基因序列，这些基因序列产生CRISPR RNA（crRNA）序列，这些序列可作为指导相应噬菌体基因组破坏的向导。在一场持续至今的古老军备竞赛中，噬菌体反过来进化出对策，例如 Acr 蛋白，它们通过干扰 CRISPR 机器和颠覆抗噬菌体防御来充当抗 CRISPR。

基因组的CRISPR区域包括独特的“间隔”序列阵列，这些序列来源于先前遇到的噬菌体的基因组。这些垫片通过短的重复序列彼此分离（图 1a）。从这些CRISPR位点产生的crRNA由单个间隔序列组成，该序列的一侧或两侧是部分重复序列。CRISPR位点通常伴随着编码Cas蛋白的基因，这些基因组装成crRNA引导的复合物，这些复合物位于攻击噬菌体基因组中的匹配序列上。    

已经定义了许多类别的CRISPR-Cas系统（I-VI型），并且几乎发现所有类别的CRISPR-Cas系统都容易受到一种以上Acr蛋白的抑制。至少已经确定了 100 个 Acr 家族，它们在结构、机制和它们抑制的CRISPR系统亚群的特异性方面具有显着的多样性。迄今为止研究的大多数 Acrs 都能识别并与 Cas 蛋白结合，并干扰它们的相互作用、结构转变或其他生化活动。众所周知，噬菌体会出于自己的目的选择整个CRISPR-Cas系统，例如在微生物感染过程中被多个竞争噬菌体干扰其他病毒。

有时，在噬菌体和其他移动遗传元件（MGE）的基因组中可以找到其他称为孤立重复单元（SRU）的CRISPR样序列 - 每个序列只有一个间隔和一个重复序列，例如一种称为质粒的环状DNA。奇怪的是，与大多数病毒CRISPR阵列不同，这些SRU通常不伴有编码Cas蛋白的基因。Camara-Wilpert及其同事着手探索这些SRU的作用，并测试它们具有抗CRISPR功能的假设。         

为了确定SRU是否可以保护噬菌体免受CRISPR介导的干扰，作者鉴定了一种SRU，该SRU与他们选择的宿主细菌菌株编码的crRNA相似，并将SRU掺入该细菌菌株中。在发现SRU表达小的crRNA样RNA后，作者用噬菌体感染细菌，该噬菌体通常由宿主细菌的I-F型CRISPR-Cas系统靶向和抑制。重要的是，作者发现，相对于不含SRU的细菌，表达SRU的细菌更容易受到噬菌体感染和病毒介导的细菌破坏。

这一结果强烈表明，来自噬菌体和MGE的SRU可以编码RNA抗CRISPR（称为Racrs），作为CRISPR介导的防御的抑制剂。作者研究的Racr（称为RacrIF1）与细菌宿主的CRISPR-Cas机制的蛋白质成分（Cas6f）特异性结合，而racrIF1中的突变阻止了Cas6f与RacrIF1 RNA的结合，从而消除了其抗CRISPR活性。对 Racr1F1 和 Cas6f 复合物的进一步生化分析揭示了其他 Cas 蛋白的存在，尽管不是通常在 crRNA 定向的 CRISPR 干扰中起作用的完整队列。作者提出，RacrIF1 可有效发挥 crRNA 模拟物的作用：它与 Cas6f 的结合导致形成无功能的异常 CRISPR 复合物，从而隔离 Cas 蛋白以防止它们参与抗噬菌体防御（图 1b）。

这种crRNA模拟的是一种普遍的现象，对应于不同的CRISPR-Cas机制 - 类似于它们的Acr蛋白对应物 - 还是它们为I型系统所独有？为了解决这个问题，作者进行了计算搜索，在噬菌体和其他MGE中鉴定了大量的SRU。大多数候选 Racr 与它们可以感染的宿主所携带的 crRNA 表现出明显的相似性，并且几乎在所有类型的 CRISPR-Cas 系统中都发现了示例。这些结果强烈表明，Racrs是一种常见的、以前被低估的CRISPR反防御模式。与编码 Acr 蛋白的基因类似，编码 Racr 的 SRU 通常与其他抗防御基因聚集在一起，这与它们提出的功能一致。

另外两项研究还分析了crRNA样小RNA，包括Cas调节RNA，它们调节Cas蛋白表达并可以检测ACR抑制。一些类似crRNA的小RNA甚至被记录为与编码Acrs的其他基因聚集在一起的病毒元件，一个更广阔的图景出现了，其中细菌和噬菌体都选择并模仿了crRNA，用于CRISPR干扰本身之外的用途，有时甚至直接反对它。

作者的研究结果将抗CRISPR的领域扩展到了RNA世界，反映了抑制CRISPR-Cas9基因组编辑的生物技术方法（在这种情况下，使用RNA作为抑制剂而不是分子模拟物）。如果基于蛋白质的 Acrs 的多样性有任何迹象，那么 Racrs 可能很快就会属于更广泛的 CRISPR 抑制剂类别，这些抑制剂利用了 crRNA 模拟之外的策略，并提供了对 CRISPR 干扰机制的进一步理解以及对噬菌体-宿主相互作用及其协同进化的见解。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06612-5

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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