來自多倫多大學(xué)、蒙大拿州立大學(xué)的研究人員，揭示出了anti-CRISPR蛋白抑制CRISPR–Cas的多種機制。新研究結(jié)果不僅為闡明CRISPR–Cas的功能機制指明了新途徑，并有可能為更好地操控CRISPR–Cas系統(tǒng)提供大量有價值的工具。這一重要的研究發(fā)布在9月23日的《自然》（Nature）雜志上。
細(xì)菌和感染它們的病毒（噬菌體）之間發(fā)生的生存之戰(zhàn)，導(dǎo)致進(jìn)化出了許多的細(xì)菌防御系統(tǒng)以及噬菌體編碼的對抗系統(tǒng)。CRISPR和cas基因構(gòu)成的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)是細(xì)菌保護(hù)自身對抗噬菌體zui普遍的一種手段。CRISPR–Cas RNA引導(dǎo)的免疫系統(tǒng)廣泛存在于原核生物中，對微生物的進(jìn)化起重要作用。
近年來，CRISPR–Cas系統(tǒng)的復(fù)雜功能機制，以及其能夠輕松對任何有機體的遺傳信息進(jìn)行編輯，在基因工程領(lǐng)域和生物領(lǐng)域顯示出的巨大應(yīng)用潛力，吸引了研究人員對這些系統(tǒng)開展深入的研究（延伸閱讀：張鋒Nature發(fā)布CRISPR基因編輯新成果 ）。
當(dāng)細(xì)菌抵御外源DNA入侵時， CRISPR在前導(dǎo)區(qū)的調(diào)控下首先被轉(zhuǎn)錄為長的RNA前體（pre-crRNA），然后加工成一系列短的含有保守重復(fù)序列和間隔區(qū)的成熟CRISPR RNAs （crRNAs），crRNAs與Cas蛋白結(jié)合形成復(fù)合物zui終識別并剪切與其互補的外源DNA序列。
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在I-F型CRISPR–Cas系統(tǒng)中，Csy4蛋白是CRISPR特異性的核糖核酸內(nèi)切酶，其可以對pre-crRNA中的每個重復(fù)序列進(jìn)行切割生成長度為60個核苷酸的成熟crRNA。Csy4結(jié)合成熟crRNA的3′末端，然后與Csy1、Csy2和Csy3蛋白組裝形成350 kDa的監(jiān)控復(fù)合物。這一復(fù)合物依賴于32個核苷酸的crRNA片段與入侵的DNA序列進(jìn)行互補堿基配對。Csy復(fù)合物結(jié)合靶DNA導(dǎo)致招募了核酸酶-解螺旋酶蛋白Cas3，及隨后降解噬菌體基因組。
由多倫多大學(xué)Alan R. Davidson和Karen L. Maxwell領(lǐng)導(dǎo)的這一研究小組，早在2012年的Nature雜志上就發(fā)表了一篇研究論文，*次證實一些基因介導(dǎo)了對CRISPR/Cas系統(tǒng)的抑制作用。他們在感染綠膿桿菌（Pseudomonas aeruginosa）的細(xì)菌噬菌體中發(fā)現(xiàn)了5個不同的I-F型 “anti-CRISPR"基因。并證實噬菌體anti-CRISPR基因突變使得它無法感染具有功能性CRISPR/Cas系統(tǒng)的細(xì)菌。將相同的基因添加到CRISPR/Cas靶向噬菌體的基因組中，可以讓它逃避CRISPR/Cas系統(tǒng)。研究人員指出，噬菌體編碼的這些anti-CRISPR有可能代表了噬菌體戰(zhàn)勝非常普遍的CRISPR/Cas系統(tǒng)的一種廣泛的機制。
在這篇的Nature文章中，研究人員確定了其中三種anti-CRISPR蛋白：AcrF1、AcrF2和AcrF3的功能機制。他們對這些蛋白進(jìn)行了生物化學(xué)及體內(nèi)研究，證實每一個anti-CRISPR蛋白都通過不同的機制來抑制了CRISPR–Cas的活性。有兩個anti-CRISPR阻斷了CRISPR–Cas復(fù)合物的DNA結(jié)合活性，但它們是通過與不同的蛋白質(zhì)亞基互作，利用了空間或非空間抑制模式來做到這一點的。第三種anti-CRISPR蛋白通過結(jié)合Cas3解螺旋酶-核酸酶，阻止其招募到結(jié)合DNA的CRISPR–Cas復(fù)合物上來起作用。在體內(nèi)，這一anti-CRISPR可以將CRISPR–Cas系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄遏制物，證實了一種蛋白質(zhì)相互作用蛋白可以調(diào)控CRISPR–Cas活性。作者們認(rèn)為，這些anti-CRISPR蛋白質(zhì)不同的序列及作用機制表明了獨立的進(jìn)化，并預(yù)示了還存在其他的方式——蛋白質(zhì)借助于它們改變了CRISPR–Cas的功能。
新研究探討了蛋白質(zhì)抑制CRISPR–Cas系統(tǒng)的機制。這些多樣且不同的機制反映了病毒-宿主軍備競賽深層的進(jìn)化根源。這些已知和尚有待發(fā)現(xiàn)的Anti-CRISPR，將為認(rèn)識和操控CRISPR–Cas系統(tǒng)提供大量有價值的工具。其中一個例子就是，新研究發(fā)現(xiàn)AcrF3通過阻止招募Cas3將CRISPR–Cas系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘粋€基因調(diào)控因子。由于除了破壞外源DNA，CRISPR–Cas系統(tǒng)來執(zhí)行著各種功能，許多重要的功能有可能是由與CRISPR–Cas元件互作，由此改變了這一系統(tǒng)活性的蛋白質(zhì)來完成。