病毒Cas4蛋白影响冰岛硫化叶菌CRISPR-Cas系统免疫适应的机制研究

CRISPR-Cas systems provide prokaryotes with an adaptive immune system against foreign invasive genetic elements. Cas4 protein is required to process the DNA fragments in the immune adaptation stage. The applicant’s recent study indicated that a transcriptional regulator mediated activation of immune adaptation in Sulfolobus islandicus. Based on the results, we found that Cas4 protein encoded in a virus significantly reduced the immune adaptation efficiency of CRISPR-Cas system. The applicant proposed that it may represent a strategy for viruses to avoid the CRISPR-Cas system. In this project, the applicant will further explore how SIRV3 virus-encoded Cas4 protein affects the immune adaptation of CRISPR-Cas system, and reveal the involved molecular mechanisms. This project will promote the intensive study of CRISPR-Cas system and establish a theoretical foundation for its application.

CRISPR-Cas系统是原核生物抵御外源入侵遗传物质的获得性免疫系统，该系统免疫适应过程需要Cas4蛋白对外源DNA片段进行加工。申请人最新研究成果表明转录调控蛋白可以激活冰岛硫化叶菌免疫适应过程。在此研究基础上，我们发现病毒编码的Cas4蛋白会显著降低CRISPR-Cas系统免疫适应的效率。申请人认为这可能是病毒逃避CRISPR-Cas系统的一种策略。在本项目中，申请人将揭示SIRV3病毒编码的Cas4蛋白在CRISPR-Cas系统免疫适应过程中的影响，阐明SIRV3病毒Cas4蛋白影响免疫适应的分子机理。本项目将促进CRISPR-Cas系统的深入研究，并为其应用奠定理论基础。

CRISPR-Cas 系统的机制研究是当今生命科学领域的前沿热点，目前被开发为多种基因编辑等分子工具。CRISPR-Cas系统在原核生物中广泛存在，提供针对病毒感染的适应性免疫，然而病毒编码一种叫做anti-CRISPR的蛋白质来逃避这种免疫。III型CRISPR-Cas系统是最复杂的免疫系统，它切割入侵的RNA从而触发ssDNA的反式切割和环寡腺苷酸(cOA)信号的合成，进而激活III型相关的核糖核酸酶的附属RNase活性。然而，病毒如何抵抗III型系统尚不清楚。本项目以冰岛硫化叶菌Rey15A及其病毒为研究对象，通过遗传学和生物化学的方法解析了病毒编码的anti-CRISPR蛋白AcrIIIB2抑制III-B型CRISPR-Cas系统多重核酸干涉活性的分子机制。本项目发现了AcrIIIB2与III-B型Cmr-α复合物的Cmr4亚基相互作用，通过竞争结合Cmr-α RNP抑制其顺式RNA和反式ssDNA切割活性。此外，本项目还鉴定了影响冰岛硫化叶菌CRISPR-Cas系统免疫适应的leader末端序列，发现免疫适应蛋白Cas1偏好于结合含有茎环结构的单链DNA，解析了Csa3a与Cas1互作并调控其整合活性从而辅助Cas1结合leader的分子机制。本研究鉴定到的leader末端茎环结构，可能是一种新的广泛存在于多种CRISPR-Cas系统中的Cas1-Cas2复合体整合间隔序列的位点。以上研究结果拓展了人们对CRISPR-Cas系统免疫适应的认知边界，对CRISPR-Cas系统的基础研究具有重要理论价值。