佐治亞大學(xué)和康涅狄格大學(xué)最近發(fā)表的研究提供了關(guān)于基于RNA的病毒免疫系統(tǒng)的基本生物學(xué)機(jī)制的新見解，稱為CRISPR-Cas。

CRISPR-Cas是Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats / CRISPR-associated的縮寫，是一種在細(xì)菌和古細(xì)菌中進(jìn)化的防御機(jī)制，這些單細(xì)胞生物用來抵御病毒和其他入侵者的攻擊。當(dāng)細(xì)菌受到病毒的攻擊時(shí)，它會(huì)通過將病毒切成碎片并將入侵者DNA的一小部分整合到自己的基因組中來記錄病毒的DNA。然后，它使用這種DNA制造與細(xì)菌蛋白質(zhì)結(jié)合的RNA，然后殺死病毒DNA。

該系統(tǒng)已在世界范圍內(nèi)進(jìn)行了研究，希望它可用于編輯使人易患無數(shù)疾病的基因，如糖尿病和癌癥。然而，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家必須進(jìn)一步了解導(dǎo)致成功免疫入侵病毒的基本生物過程。

UGA富蘭克林藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)杰出研究教授，該項(xiàng)目首席研究員Michael Terns和UGA博士后Masami Shiimori與UConn Health的Brenton Graveley和Sandra Garrett合作，對(duì)數(shù)百萬個(gè)基因組進(jìn)行測序，以了解更多關(guān)于處理。Graveley是UConn Health的遺傳學(xué)和基因組科學(xué)系教授兼主席，系統(tǒng)基因組學(xué)研究所副主任，Garrett是他實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。

“這項(xiàng)研究比試圖確定如何將CRISPR用于治療或生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的研究更為基礎(chǔ)和基礎(chǔ)，”Terns說。“我們的研究是關(guān)于該過程中獨(dú)特的第一步，稱為適應(yīng)，其中DNA片段被識(shí)別并整合到宿主基因組中，為后代提供免疫力。”

以前，研究人員并不了解細(xì)胞如何識(shí)別病毒是入侵者，也不知道哪種細(xì)菌蛋白質(zhì)是成功整合和免疫所必需的。

“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們能夠確定細(xì)菌免疫系統(tǒng)如何創(chuàng)建分子記憶以去除有害的病毒DNA序列以及如何將其傳遞給細(xì)菌后代，”Graveley說。

通過觀察數(shù)據(jù)中的模式，研究人員發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)關(guān)于兩個(gè)先前表征不佳的Cas4蛋白如何與所有CRISPR-Cas系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的Cas1和Cas2蛋白串聯(lián)起作用的新發(fā)現(xiàn)。

在該初始適應(yīng)階段，兩種不同Cas4蛋白中的一種識(shí)別序列中的信號(hào)占位符，其發(fā)生在被切除的DNA片段附近。

當(dāng)Cas1和Cas2蛋白在細(xì)胞中與兩種Cas4蛋白核酸酶Cas4-1和Cas4-2中的任何一種一起存在時(shí)，它們就像這種基于軍隊(duì)的免疫系統(tǒng)的通用一樣，傳遞均勻大小的剪切DNA片段，指示在哪里下一步，最終指示破壞致命的DNA片段。

為了使細(xì)胞成功識(shí)別并切除DNA鏈，將它們整合到自己的基因組中并獲得免疫，Cas4蛋白必須與Cas1和Cas2蛋白一起存在。

“Cas4存在于許多CRISPR-Cas系統(tǒng)中，但蛋白質(zhì)的作用是神秘的，”Terns說。“在我們的系統(tǒng)中，有兩種Cas4蛋白質(zhì)對(duì)于控制這一過程至關(guān)重要，因此可以制造功能性RNA并賦予免疫力”

為了實(shí)現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)，佐治亞大學(xué)的研究小組創(chuàng)造了具有關(guān)鍵遺傳缺失的古菌生物菌株。

在CRISPR基因座中捕獲的數(shù)億個(gè)DNA片段被送到康涅狄格州法明頓的Graveley實(shí)驗(yàn)室，在那里用Illumina MiSeq系統(tǒng)測序。然后，研究人員使用超級(jí)計(jì)算進(jìn)行生物信息學(xué)分析和數(shù)據(jù)解釋。

雖然關(guān)于CRISPR-Cas系統(tǒng)中涉及的生物學(xué)機(jī)制仍有許多需要了解，但這項(xiàng)研究告訴科學(xué)家更多關(guān)于這些蛋白質(zhì)共同作用以拯救細(xì)胞和獲得免疫力的方式。

“數(shù)據(jù)非常清楚。我們測序了在不同基因株中的CRISPR基因座中捕獲的數(shù)百萬個(gè)DNA片段，并且發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果，”他說。

Terns和Graveley實(shí)驗(yàn)室之間的項(xiàng)目是長達(dá)十年的合作項(xiàng)目中的最新項(xiàng)目，僅在今年就出版了三份聯(lián)合出版物。這項(xiàng)研究的資金來自分別授予Terns和Graveley實(shí)驗(yàn)室的兩項(xiàng)NIH R35撥款(1R35 GM 118160和R35 GM118140)。