揭示DNA受CRISPR自免疫損傷的修復機制（2020.9.2 華中農(nóng)業(yè)大學）

近日，Nucleic Acids Research在線發(fā)表了華中農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室、生命科學技術(shù)學院彭楠教授團隊研究成果，題為“A CRISPR-associated factor Csa3a regulates DNA damage repair in Crenarchaeon Sulfolobus islandicus”。研究揭示了調(diào)控蛋白Csa3a對CRISPR自免疫造成的基因組DNA損傷的修復調(diào)控機制，為進一步研究CRISPR-Cas系統(tǒng)自身免疫與維持基因組穩(wěn)定性之間的聯(lián)系奠定了基礎(chǔ)。

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、信號分子等嚴格地調(diào)控。在前期研究中，研究團隊發(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，Csa3a蛋白調(diào)控Sulfolobus DNA損傷修復的一系列基因的表達（Liu et al.，2017，Nucleic Acids Res）。然而，Csa3a調(diào)控的DNA損傷修復機制尚未可知。

作者通過缺失csa3a基因發(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。體外實驗結(jié)果表明，Csa3a蛋白可特異性地結(jié)合上述DDR基因的啟動子，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與報告基因系統(tǒng)實驗結(jié)果，揭示了Csa3a蛋白對DDR的轉(zhuǎn)錄激活作用。

同時，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)介導的細胞聚集，降低csa3a缺失菌株的存活率等。DNA傳輸和修復實驗結(jié)果表明，Ced系統(tǒng)可修復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效率。

CRISPR免疫適應(yīng)（Adaptation）除了觸發(fā)獲得大部分針對MGE的免疫適應(yīng)外，也會獲得少部分針對自身基因組DNA的免疫適應(yīng)，因此會造成自免疫損傷。在前期的研究中，可移動遺傳因子MGE（mobile genetic elements）的入侵會激活全局調(diào)控因子Csa3a蛋白表達（Leon-Sobrino et al.，2016，Mol Microbiol），被激活的Csa3a蛋白在免疫適應(yīng)（Adaptation）過程中也會獲得少量的自身基因組DNA的免疫適應(yīng)，造成DNA損傷。

在該研究中，作者發(fā)現(xiàn)，CRISPR自免疫損傷自身基因組時，Csa3a蛋白可調(diào)控跨細胞DNA傳遞系統(tǒng)參與DNA修復，修復發(fā)生在CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫適應(yīng)（Adaptation）時產(chǎn)生的DNA斷裂處以及自我免疫的靶區(qū)，從而使宿主丟失來源于自身基因組的免疫適應(yīng)和修復宿主基因組斷裂的靶區(qū)，進而維持了自免疫后基因組的穩(wěn)定性。

我校農(nóng)業(yè)微生物學國家重點實驗室、生命科學技術(shù)學院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。該研究受到了國家自然科學基金，博士后創(chuàng)新人才支持計劃，中國博士后科學基金和湖北省自然科學基金等項目的資助。