导读
CRISPR-Cas系统是细菌和古菌中广泛存在的一种适应性免疫机制，为宿主提供了抵御外来遗传物质的重要防御手段。然而，研究表明，CRISPR-Cas系统在发挥免疫功能的同时，也可能阻碍细菌对外源有益基因的获取，从而在进化过程中引发适应性困境。上海交通大学生命科学技术学院微生物代谢国家重点实验室邓子新团队康前进研究小组于2023年7月在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了一项突破性研究《Insertion sequence transposition inactivates CRISPR-Cas immunity》，揭示了插入序列（IS元件）通过转座破坏CRISPR-Cas系统的全新机制。本研究通过综合应用生物信息学、分子生物学和遗传学技术手段，解析了IS元件在宿主进化中的关键作用。
CRISPR-Cas系统免疫功能的负面影响
CRISPR-Cas系统是细菌和古菌的一种适应性免疫系统，能够有效抵御外来遗传物质的入侵。其工作原理包括外源DNA的识别、剪切和记忆存储，随后通过靶向切割入侵的遗传物质来保护宿主。然而，从进化的角度来看，CRISPR-Cas系统是一把“双刃剑”：CRISPR-Cas系统能够阻止噬菌体和其他移动遗传元件的入侵，维护宿主基因组的稳定性。然而，因其高度特异性的识别和切割机制，该系统可能阻碍外源有益基因的获取，例如抗生素耐药基因或环境适应基因。这种限制在胁迫环境中可能对宿主的生存和适应性进化产生负面影响。研究表明，细菌可能通过进化出多种机制来减弱或失活CRISPR-Cas系统，以平衡遗传防御和环境适应之间的权衡。此次研究首次揭示了IS元件通过转座破坏CRISPR-Cas系统的具体机制，为理解这一进化策略提供了全新视角。
图1. IS元件转座至CRISPR-Cas系统
IS元件如何破坏CRISPR-Cas系统
插入序列（Insertion Sequence, IS）是一类简单的转座元件，能够通过自身编码的转座酶在基因组中进行移动。IS元件的转座可能导致基因功能的破坏、调控改变或基因组重排。在本研究中，研究团队发现，IS元件的转座行为可以显著影响CRISPR-Cas系统的功能。IS元件倾向于插入到特定的基因组序列中，这些位点通常具有特定的识别motif。在CRISPR-Cas系统中，cas基因区域由于其高保守性和丰富的转录活性，成为IS元件转座的热点。当IS元件插入到cas基因的功能区时，会破坏其编码功能，导致CRISPR-Cas系统失活。例如，在抗生素胁迫条件下，IS元件通过转座至cas基因区域，使得宿主菌株失去免疫功能，从而允许外源耐药基因的整合和表达，增强其环境适应能力。
图2. 基于CRISPR-Cas建立高效的IS元件捕获系统
研究团队利用多种实验方法验证了IS元件破坏CRISPR-Cas系统的机制。通过对CRISPRCasdb数据库的全面分析，发现大量天然的CRISPR-Cas系统被IS元件破坏，表明这一现象在自然界中普遍存在。在实验室条件下，通过模拟抗生素胁迫，研究人员观察到IS元件的高频转座行为，进一步验证了CRISPR-Cas系统与基因水平转移之间的进化权衡关系。研究团队还构建了一套基于CRISPR-Cas蛋白突变体的高效IS元件捕获系统，能够选择性地捕获转座至cas基因的IS元件，为解析其机制提供了重要工具。
图3. IS1与IS10元件转座至多种不同的原核生物遗传防御系统
研究还发现，尽管对Cas基因进行密码子优化以规避IS元件识别热点，IS元件仍能通过其广泛的识别潜能进行转座。这一现象表明，IS元件在宿主基因组中的转座具有显著的进化优势。更有趣的是，研究团队发现IS元件不仅破坏CRISPR-Cas系统，还干扰了其他遗传防御系统，如限制性修饰系统和基于环状寡核苷酸的抗噬菌体信号系统。这一发现进一步凸显了IS元件在宿主适应性进化中的重要作用。
图4. anti-CRISPR机制总览
“交我算”平台助力高效生信分析
本研究得到了“交我算”高性能计算平台的支持，为研究团队提供了从数据分析到分子模拟的全链条计算资源保障。利用“交我算”平台，研究团队对NCBI等生物学数据库中数百万条基因组数据进行了系统筛查，快速识别出IS元件在不同宿主中的分布特性及其转座热点。研究团队通过“交我算”平台进行大规模生物信息学分析，探究了CRISPR-Cas蛋白突变体与IS元件的相互作用。平台强大的算力显著加速了分析过程，使研究团队能够在短时间内完成多轮参数优化。借助“交我算”提供的并行计算资源，团队对IS元件捕获系统进行了高效的建模和算法优化，成功开发出一套可扩展的高效捕获工具，为后续研究奠定了坚实基础。
结语
本研究揭示了IS元件破坏CRISPR-Cas系统的全新机制，深化了对细菌遗传防御与环境适应性平衡的理解。这一发现不仅扩展了我们对原核生物进化机制的认知，也为微生物遗传学和生物技术研究提供了新思路。未来，随着研究的深入，IS元件与宿主免疫系统的相互作用机制将为抗生素耐药性治理、进化生物学研究和基于CRISPR-Cas的生物技术创新提供更多可能性。研究的成功离不开“交我算”高性能计算平台的支持。作为人工智能与计算科学领域的重要平台，“交我算”为科学家解决复杂计算问题提供了坚实基础。本研究成果展示了先进计算资源与生物学研究的深度融合，为未来更多前沿科学问题的探索提供了典范。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39964-7
来源：上海交通大学生命科学技术学院