삽입 서열 전위는 CRISPR을 비활성화합니다

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4366(2023) 이 기사 인용

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CRISPR-Cas 면역 시스템은 이동성 유전 요소의 침입을 억제하여 원핵 생물 게놈을 보호합니다. 여기에서 우리는 원핵생물 게놈 서열을 스크리닝하고 삽입 서열(IS)의 Cas 유전자로의 여러 자연 전이를 확인하여 CRISPR-Cas 방어를 비활성화했습니다. 그런 다음 생리적 숙주 스트레스로 이중 가닥 DNA 파손이 유도된 후 Cas 유전자에 IS 삽입을 모니터링하기 위해 다양한 IS와 유도 가능한 cas 뉴클레아제가 포함된 대장균 균주를 사용하여 IS 트래핑 시스템을 생성했습니다. 우리는 서로 다른 IS, 특히 IS1과 IS10에 의해 중재되는 여러 이벤트를 식별하여 상당히 완화된 대상 특이성을 표시했습니다. Cas로의 IS 전이는 DNA 복구 기계가 있는 상태에서 유지되었으며, 다른 호스트 방어 시스템으로의 전이도 감지되었습니다. 우리의 연구 결과는 CRISPR 활동에 대응하여 IS가 외부 DNA 침입에 대한 박테리아 민감성을 증가시킬 수 있는 잠재력을 강조합니다.

항생제 내성 유전자와 같은 수평 전달을 통해 외부 DNA를 획득하면 박테리아의 체력이 증가할 수 있습니다1,2. 그러나 원핵생물은 바이러스 및 기타 유전적 기생충의 침입에 대응하는 방어 메커니즘도 가지고 있습니다3,4. CRISPR(Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeat)/Cas 시스템은 숙주에 삽입된 DNA 서열 뱅크인 CRISPR 어레이에서 생성된 특정 가이드 RNA(crRNA)를 사용하여 침입성 유전 요소로부터 원핵생물을 보호하는 지배적인 방어 메커니즘입니다. 게놈 및 외부 유전 물질5,6에서 파생됩니다. crRNA는 crRNA 서열에 상보적인 표적 서열에 결합하고 절단하도록 CRISPR 관련(Cas) 단백질을 "프로그래밍"합니다7. 시그니처 Cas 이펙터와 기계적 특성을 기반으로 CRISPR/Cas 시스템은 현재 2가지 클래스와 6가지 유형으로 분류됩니다8. Streptococcus pyogenes의 Type II-A SpCas9 엔도뉴클레아제는 두 개의 뉴클레아제 도메인인 RuvC와 HNH를 보유하고 있으며, 이는 각각 비표적 가닥과 표적 가닥을 절단할 수 있습니다9,10. 선천적 제한 수정(RM) 면역 시스템11은 또한 낙태 감염 시스템12 및 독소-항독소 시스템13과 같은 다른 원핵생물 방어 요소와 마찬가지로 유전적 기생충을 제한합니다.

그러나 면역 체계에도 불구하고 삽입 서열(IS)과 기타 이동 유전 요소(MGE)는 여전히 종 전체에 걸쳐 수평 유전자 전달을 광범위하게 중재합니다14,15. 본질적으로 매우 널리 퍼진 MGE인 IS는 유전적으로 콤팩트하고 반전된 말단 반복이 측면에 있으며 일반적으로 이동을 촉진하기 위해 트랜스포사제만 인코딩하는 표현형적으로 비밀스러운 이동 요소로 인해 일반적으로 삽입 측면에 가변 길이의 표적 부위 중복(TSD)이 발생합니다. 사이트 16,17. 무작위 전치와 두 개의 동일한 IS 복사본 간의 상동 재조합 가능성으로 인해 IS는 때때로 호스트에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다18,19. 그러나 특히 복합 트랜스포손의 IS는 대사 조절, DNA 복구 촉진, 독성 및 항균 내성 강화 등을 통해 숙주에게 생존 이점을 제공할 수도 있습니다. 따라서 IS가 숙주로 전이되면 상호 생존에 기여할 수 있습니다.

CRISPR-Cas 방어 시스템은 숙주를 보호하면서 잠재적으로 유익한 외래 DNA를 손상시킬 수 있기 때문에 양날의 검이며, 때때로 MGE에 의한 CRISPR-Cas 시스템의 폐기가 관찰되었습니다. 예를 들어, 프로파지는 CRISPR 어레이 서열에 통합될 수 있으며 CRISPR 유전자좌에 IS 삽입이 특정 환경 조건에서 관찰되어 유전적 포식에 대한 취약성을 생성합니다.

이 연구에서 우리의 초기 탐사는 CAS 유전자에 IS 삽입이 다양하게 발생하여 많은 원핵생물에서 CRISPR 면역 시스템이 폐기될 가능성이 있음을 보여줍니다. 우리는 CRISPR 기계의 붕괴가 유익한 외부 MGE에 대한 숙주의 민감성을 증가시켜 유리한 특성의 획득을 촉진하고 환경적 문제에 대한 효과적인 적응을 가능하게 할 수 있다고 가정합니다. 대장균을 섀시로 사용하여 DNA 이중 가닥 절단(DSB)에 의해 유발되는 CRISPR-Cas 중단을 통해 호스트 적합성을 조절하는 CRISPR-Cas 기계와 IS 간의 상호 작용을 보여줍니다. 놀랍게도 IS1과 IS10은 Cas 유전자의 IS 표적 부위의 반복적인 돌연변이 유발을 통해 E. coli DH10B의 Cas 유전자를 파괴하는 주요 플레이어로 등장하여 표적 부위를 인식하는 데 상당한 유연성을 보여줍니다. 또한, CRISPR-Cas로의 IS 전이는 NHEJ(비동종 말단 결합) 복구 시스템 도입 중에 지속되며, 게놈 마이닝 분석에 따르면 IS가 다른 원핵 방어 시스템을 방해하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 CRISPR-Cas의 활동과 원핵생물의 기타 유전 방어 메커니즘에 대응하는 IS의 핵심 역할을 보여줍니다.