CRISPR系统的分类与分布

摘 要:

根据CRISPR/Cas信息处理阶段与执行阶段的差异性,可以将CRISPR系统分为3种类型。TypeⅠ系统是Cas蛋白最多和最复杂的系统,有特征性的Cas3蛋白,在细菌和古细菌中都有发现;II型系统主要特征是包含标志性的Cas9蛋白,仅存在于细菌;Type Ⅲ系统包含特征性的Cas10蛋白,该型主要存在于古细菌,只有少数细菌是TypeⅢ型。

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CRISPR干扰的免疫过程主要包括3个阶段:适应阶段、表达阶段和干扰阶段,其中适应阶段又可称为信息处理阶段,此阶段的作用机制在不同的CRISPR系统中是高度保守的,主要作用蛋白为Cas1和Cas2蛋白。表达和干扰两个阶段又被称为执行阶段,此阶段的作用机制在不同的CRISPR系统中有较大的差异,作用蛋白也有所差别。

根据信息处理阶段的高度保守性与执行阶段的差异性,以cas1及cas2基因为核心,可以将CRISPR系统分为以下3种类型。

1ICRISPR系统

TypeⅠ系统是CRISPR/Cas系统中Cas蛋白最多和最复杂的系统,包含6个蛋白,其中有特征性的Cas3蛋白,该蛋白具有解旋酶和核酸酶功能,是干扰阶段的主要作用酶类。在表达阶段,多个Cas蛋白与成熟的crRNA共同结合形成CRISPR相关抗病毒防御复合物CASCAD (CRISPR associated complex for antivirus defense),CASCAD与入侵的外源DNA结合, 促使CASCAD内的crRNA与外源DNA的互补链配对形成R环结构,Cas3的核酸酶识别R环结构后先将互补链切开,随后在Cas3的解旋酶和核酸酶作用下再将非互补链切开。

2IICRISPR系统

II型系统的干扰过程是RNAseIII在Cas9蛋白存在的情况下催化进行的,主要特征是包含一个标志性的Cas9蛋白 (分子质量很大的多功能蛋白) 参与crRNA的成熟以及降解入侵的噬菌体DNA或是外源质粒。Cas9蛋白在crRNA的成熟和靶标DNA的剪切中发挥重要作用,并且反式编码小RNA (trans-encoded small RNA,tracrRNA) 在其中扮演了导向的角色。

CRISPR系统的分类与分布

Cas9蛋白包含两个功能结构域,一个在N端,有类似于Ruc核酸酶的活性,一个在中部有类似HNH核酸酶的活性

嗜热性链球菌具有典型的TypeⅡ CRISPR/Cas系统,它的CRISPR/Cas系统编码tracrRNA (trans-activating crRNA),其指导RNaseⅢ和Cas9完成前体crRNA的成熟.随后tracrRNA还能与成熟的crRNA的重复序列配对形成RNA二聚体,进而和Cas9蛋白结合成核糖核蛋白复合体,发挥识别和降解入侵的外源DNA功能。

3IIICRISPR系统

Type Ⅲ系统包含特征性的Cas10蛋白,其具有RNA酶活性和类似于Type Ⅰ的CASCAD功能。Cas10主要参与crRNA的成熟和剪切入侵外源DNA。目前发现TypeⅢ有两种亚型:TypeⅢA和TypeⅢB。激烈热球菌的CRISPR/Cas系统属于TypeⅢA型,它干扰的靶标是mRNA;表皮葡萄球菌CRISPR/Cas系统属于TypeⅢB型,它的靶标与Type Ⅰ和Ⅱ CRISPR/Cas系统相同, 是DNA。这也反映了自然界中的CRISPR/Cas系统的多态性。

在以上3类CRISPR/Cas系统中,TypeⅡ型系统的核糖核蛋白复合物相对简单,除crRNA和tracrRNA外,只有Cas9一个蛋白。三种类型的CRISPR/Cas系统的分布也有所不同。TypeⅠ系统在细菌古细菌中都有发现;Type Ⅱ系统仅存在于细菌中;TypeⅢ型大多存在于古细菌中,只有少数的细菌是TypeⅢ型。20世纪90年代末期测序技术开始飞速发展,越来越多的细菌和古细菌的基因组信息被解密,科学家们发现一些特殊的菌株中同时存在多种类型的CRISPR/Cas系统,推测基因的水平转移可能是导致这一现象的主要原因,例如一些包含有CRISPR/Cas系统的质粒、转座子元件, 在不同的菌株之间的转移。

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