研究人员发现了CRISPR-Cas蛋白的作用和团队合作

佐治亚大学和康涅狄格大学最近发表的研究提供了关于基于RNA的病毒免疫系统的基本生物学机制的新见解，称为CRISPR-Cas。

CRISPR-Cas是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR-associated的缩写，是一种在细菌和古细菌中进化的防御机制，这些单细胞生物用来抵御病毒和其他入侵者的攻击。当细菌受到病毒的攻击时，它会通过将病毒切成碎片并将入侵者DNA的一小部分整合到自己的基因组中来记录病毒的DNA。然后，它使用这种DNA制造与细菌蛋白质结合的RNA，然后杀死病毒DNA。

该系统已在世界范围内进行了研究，希望它可用于编辑使人易患无数疾病的基因，如糖尿病和癌症。然而，为了实现这一目标，科学家必须进一步了解导致成功免疫入侵病毒的基本生物过程。

UGA富兰克林艺术与科学学院生物化学与分子生物学杰出研究教授，该项目首席研究员Michael Terns和UGA博士后Masami Shiimori与UConn Health的Brenton Graveley和Sandra Garrett合作，对数百万个基因组进行测序，以了解更多关于处理。Graveley是UConn Health的遗传学和基因组科学系教授兼主席，系统基因组学研究所副主任，Garrett是他实验室的博士后研究员。

“这项研究比试图确定如何将CRISPR用于治疗或生物医学应用的研究更为基础和基础，”Terns说。“我们的研究是关于该过程中独特的第一步，称为适应，其中DNA片段被识别并整合到宿主基因组中，为后代提供免疫力。”

以前，研究人员并不了解细胞如何识别病毒是入侵者，也不知道哪种细菌蛋白质是成功整合和免疫所必需的。

“在这个项目中，我们能够确定细菌免疫系统如何创建分子记忆以去除有害的病毒DNA序列以及如何将其传递给细菌后代，”Graveley说。

通过观察数据中的模式，研究人员发现了几个关于两个先前表征不佳的Cas4蛋白如何与所有CRISPR-Cas系统中发现的Cas1和Cas2蛋白串联起作用的新发现。

在该初始适应阶段，两种不同Cas4蛋白中的一种识别序列中的信号占位符，其发生在被切除的DNA片段附近。

当Cas1和Cas2蛋白在细胞中与两种Cas4蛋白核酸酶Cas4-1和Cas4-2中的任何一种一起存在时，它们就像这种基于军队的免疫系统的通用一样，传递均匀大小的剪切DNA片段，指示在哪里下一步，最终指示破坏致命的DNA片段。

为了使细胞成功识别并切除DNA链，将它们整合到自己的基因组中并获得免疫，Cas4蛋白必须与Cas1和Cas2蛋白一起存在。

“Cas4存在于许多CRISPR-Cas系统中，但蛋白质的作用是神秘的，”Terns说。“在我们的系统中，有两种Cas4蛋白质对于控制这一过程至关重要，因此可以制造功能性RNA并赋予免疫力”

为了实现这些发现，佐治亚大学的研究小组创造了具有关键遗传缺失的古菌生物菌株。

在CRISPR基因座中捕获的数亿个DNA片段被送到康涅狄格州法明顿的Graveley实验室，在那里用Illumina MiSeq系统测序。然后，研究人员使用超级计算进行生物信息学分析和数据解释。

虽然关于CRISPR-Cas系统中涉及的生物学机制仍有许多需要了解，但这项研究告诉科学家更多关于这些蛋白质共同作用以拯救细胞和获得免疫力的方式。

“数据非常清楚。我们测序了在不同基因株中的CRISPR基因座中捕获的数百万个DNA片段，并且发现了相同的结果，”他说。

Terns和Graveley实验室之间的项目是长达十年的合作项目中的最新项目，仅在今年就出版了三份联合出版物。这项研究的资金来自分别授予Terns和Graveley实验室的两项NIH R35拨款(1R35 GM 118160和R35 GM118140)。