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彭楠教授团队揭示DNA受CRISPR自免疫损伤的修复机制
发布时间:2020-09-02

近日,Nucleic Acids Research在线发表了农业微生物学国家重点实验室、生命科学技术学院彭楠教授团队研究成果,题为“A CRISPR-associated factor Csa3a regulates DNA damage repair in Crenarchaeon Sulfolobus islandicus”。研究揭示了调控蛋白Csa3a对CRISPR自免疫造成的基因组DNA损伤的修复调控机制,为进一步研究CRISPR-Cas系统自身免疫与维持基因组稳定性之间的联系奠定了基础。

CRISPR-Cas系统是原核生物抵御外源入侵遗传元件(MGE)的获得性免疫系统。CRISPR-Cas系统行使免疫功能受到转录因子、信号分子等严格地调控。在前期研究中,研究团队发现,冰岛硫化叶菌(Sulfolobus islandicus)REY15A的CRISPR-Cas系统关联转录因子Csa3a可触发CRISPR-Cas系统原发免疫适应(de novo spacer acquisition),获取新gRNA (spacer)编码序列 (Liu et al., 2015, Nucleic Acids Res)。同时,Csa3a蛋白调控Sulfolobus DNA损伤修复的一系列基因的表达(Liu et al., 2017, Nucleic Acids Res)。然而,Csa3a调控的DNA损伤修复机制尚未可知。

作者通过缺失csa3a基因发现,缺失csa3a基因后DNA损伤响应基因(DNA damage response, DDR)的转录水平均发生了下调。这些DDR基因包括在冰岛硫化叶菌中响应UV诱导DNA损伤的纤毛操纵子(ups)和DNA跨膜传递系统(ced)操纵子等。体外实验结果表明,Csa3a蛋白可特异性地结合上述DDR基因的启动子,结合转录组数据与报告基因系统实验结果,揭示了Csa3a蛋白对DDR的转录激活作用。

同时,与野生型菌株相比,缺失csa3a基因可显著抑制在DNA损伤剂处理情况下由Ups系统介导的细胞聚集,降低csa3a缺失菌株的存活率等。DNA传输和修复实验结果表明,Ced系统可修复CRISPR干涉造成的自身基因组损伤,且缺失csa3a基因可显著降低该损伤修复效率(图1)。

图1. DNA传输和修复实验

图1. DNA传输和修复实验

CRISPR免疫适应(Adaptation)除了触发获得大部分针对MGE的免疫适应外,也会获得少部分针对自身基因组DNA的免疫适应,因此会造成自免疫损伤。在前期的研究中,可移动遗传因子MGE(mobile genetic elements)的入侵会激活全局调控因子Csa3a蛋白表达(Leon-Sobrino et al., 2016, Mol Microbiol),被激活的Csa3a蛋白在免疫适应(Adaptation)过程中也会获得少量的自身基因组DNA的免疫适应,造成DNA损伤。

在该研究中,作者发现,CRISPR自免疫损伤自身基因组时,Csa3a蛋白可调控跨细胞DNA传递系统参与DNA修复,修复发生在CRISPR-Cas系统免疫适应(Adaptation)时产生的DNA断裂处以及自我免疫的靶区,从而使宿主丢失来源于自身基因组的免疫适应和修复宿主基因组断裂的靶区,进而维持了自免疫后基因组的稳定性(图2)。

图2. Csa3a调控Ups和Ced系统参与修复由CRISPR自免疫造成的基因组DNA损伤


图2. Csa3a调控Ups和Ced系统参与修复由CRISPR自免疫造成的基因组DNA损伤

我校农业微生物学国家重点实验室、生命科学技术学院博士生刘真真为该论文的第一作者,彭楠教授为论文通讯作者。该研究受到了国家自然科学基金,博士后创新人才支持计划,中国博士后科学基金和湖北省自然科学基金等项目的资助。

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