挿入配列の転位により CRISPR が不活性化される

Nature Communications volume 14、記事番号: 4366 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

CRISPR-Cas 免疫システムは、可動性の遺伝要素の侵入を阻害することで原核生物のゲノムを保護します。 今回、我々は原核生物のゲノム配列をスクリーニングし、cas遺伝子への挿入配列（IS）の複数の自然転位を同定し、それによってCRISPR-Cas防御を不活性化した。 次に、さまざまなISを有する大腸菌株と誘導性casヌクレアーゼを用いてISトラップシステムを作製し、生理的宿主ストレスとして二本鎖DNA切断が誘導された後のcas遺伝子へのIS挿入をモニタリングした。 我々は、異なる IS、特に IS1 と IS10 によって媒介される複数のイベントを特定し、大幅に緩和された標的特異性を示しました。 cas への IS の転移は、DNA 修復機構の存在下で維持され、他の宿主防御システムへの転移も検出されました。 私たちの発見は、ISがCRISPR活性に対抗する可能性があり、それによって外来DNA侵入に対する細菌の感受性を高める可能性を強調しています。

抗生物質耐性遺伝子などの外来 DNA を水平移動によって獲得すると、細菌の適応度が高まる可能性があります 1,2。 しかし、原核生物には、ウイルスやその他の遺伝的寄生虫の侵入に対抗する防御機構もあります 3,4。 クラスター化された規則的に間隔をあけた短い回文反復配列 (CRISPR)/Cas システムは、宿主に挿入された DNA 配列のバンクである CRISPR アレイから生成される特定のガイド RNA (crRNA) を使用して、侵入遺伝要素から原核生物を保護する主要な防御機構です。ゲノムおよび外来遺伝物質に由来する5,6。 crRNA は、crRNA 配列に相補的な標的配列に結合して切断するように CRISPR 関連 (Cas) タンパク質を「プログラム」します7。 特徴的な Cas エフェクターと機構的特性に基づいて、CRISPR/Cas システムは現在 2 つのクラスと 6 つのタイプに分類されています8。 Streptococcus pyogenes 由来の II-A 型 SpCas9 エンドヌクレアーゼは、RuvC および HNH という 2 つのヌクレアーゼ ドメインを保有しており、それぞれ非標的鎖と標的鎖を切断できます 9,10。 先天性制限修飾 (RM) 免疫系 11 は、不育症感染系 12 や毒素抗毒素系 13 などの他の原核生物の防御要素と同様に、遺伝的寄生も制限します。

しかし、免疫系にもかかわらず、挿入配列 (IS) およびその他の可動性遺伝要素 (MGE) は依然として種を越えた水平遺伝子伝達を広く媒介しています 14,15。 自然界で非常に蔓延している MGE である IS は、遺伝的にコンパクトで、その両側に逆方向末端反復配列があり、一般に表現型的には表現型が不明瞭な可動性要素であり、その移動を促進するトランスポザーゼのみをコードしており、その結果、通常、挿入部分に隣接する可変長の標的部位重複 (TSD) が生じます。サイト16、17。 IS はランダムな転位と 2 つの同一の IS コピー間の相同組換えの可能性により、宿主に有害な影響を与えることがあります 18,19。 しかし、特に複合トランスポゾンにおける IS は、代謝の調節 20、DNA 修復の促進 21、病原性と抗菌耐性の強化 22,23 など、宿主に生存上の利点を提供することもあります。 したがって、宿主への IS の転移は相互の生存に寄与する可能性があります。

CRISPR-Cas 防御システムは、宿主を保護しながら有益な外来 DNA を損傷する可能性があるため、諸刃の剣であり、時折、MGE による CRISPR-Cas システムの無効化が観察されています。 例えば、プロファージは CRISPR アレイ配列に組み込まれる可能性があり 24、特定の環境条件下では CRISPR 遺伝子座への IS の挿入が観察されており 25、これにより遺伝的捕食に対する感受性が生じます。

この研究では、我々の最初の調査により、cas 遺伝子への IS 挿入の多様な発生が明らかになり、その結果、多くの原核生物で CRISPR 免疫システムが廃止される可能性があります。 私たちは、CRISPR機構の崩壊により、有益な外来MGEに対する宿主の感受性が高まり、それによって有利な形質の獲得が促進され、環境課題への効果的な適応が可能になるのではないかと仮説を立てています。 大腸菌をシャーシとして使用し、DNA 二本鎖切断 (DSB) によって引き起こされる CRISPR-Cas 破壊を通じて宿主の適応度を調節する CRISPR-Cas 機構と IS の間の相互作用を実証します。 注目すべきことに、cas 遺伝子の IS 標的部位の反復変異誘発により、IS1 と IS10 が大腸菌 DH10B の cas 遺伝子破壊における顕著なプレーヤーとして出現し、標的部位の認識におけるそれらの実質的な柔軟性が実証されました。 さらに、ISのCRISPR-Casへの転移は、非相同末端結合（NHEJ）修復システムの導入中に維持され、ゲノムマイニング分析により、ISが他の原核生物の防御システムを妨害することが示された。 これらの結果は、原核生物における CRISPR-Cas およびその他の遺伝的防御機構の活性に対抗する上で IS が重要な役割を果たしていることを示しています。