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.2013;9（9）：e1003844。
doi:10.1371/journal.pgen.1003844。 Epub 2013年9月26日。

应对CRISPR免疫的进化劣势：细菌和有益质粒

姜文彦（Wenyan Jiang） 1, 英巴尔·马尼夫, 法瓦兹·阿兰, 王亚英, 布鲁斯·莱文, 卢西亚诺·阿马拉菲尼
附属公司

应对CRISPR免疫的进化劣势：细菌和有益质粒

姜文彦（Wenyan Jiang）等。 公共科学图书馆-基因. 2013.

摘要

保护生物体免受传染源感染的免疫系统总是要为宿主付出代价。在细菌和古细菌中，CRISPR-Cas基因座可以作为适应性免疫系统，保护这些微生物免受感染性传播的DNA的影响。当这些DNA由裂解病毒（噬菌体）携带时，这种保护可以提供相当大的优势。CRISPR-Cas免疫还可以阻止细胞获得质粒和游离DNA携带基因，从而提高其适应性。在这里，我们结合实验和数学-计算机模拟模型来探讨CRISPR-Cas免疫的这一缺点及其在微生物种群中保持CRISPR-Cas基因座的意义。我们分析了葡萄球菌质粒pG0400向表皮葡萄球菌RP62a受体的偶联转移，该受体携带靶向该质粒的CRISPR-Cas基因座。与预期的通过靶区突变逃避CRISPR的裂解噬菌体相反，质粒通过功能性CRISPR-Cas免疫力的丧失在宿主水平上逃避CRISRP免疫力。我们的实验和模型的结果表明，CRISPR-Cas阳性人群中超过10（-4）个细胞的CRISPR-Cas区域有缺陷或缺失，因此能够接收和携带质粒。最有趣的是，即使是大的缺失也会导致CRISPR功能的丧失，这在体外的适应成本很低或没有。这些理论和实验结果可以解释CRISPR-Cas基因座在细菌物种内部和之间的存在、数量和功能的巨大差异。我们假设，由于免疫的正选择和负选择相反，CRISPR-Cas系统处于连续的流动状态。当它们对横向转移的有益基因产生免疫力，通过横向基因转移重新获得，并在噬菌体是主要死亡来源的环境中提升时，它们就会失去免疫力。

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数字

图1
图1。将有益质粒转移到编码CRISPR免疫的细胞中的不同可能性。
表皮葡萄球菌RP62a包含一个带有间隔物（粉红色）的CRISPR-Cas系统，该间隔物产生与镍酶(其他)葡萄球菌结合质粒的基因（也为粉红色），包括pG0400。尽管CRISPR免疫，至少有四种不同的机制可以允许质粒转移：（i）质粒靶点突变（黄色），（ii）抗质粒间隔区突变或缺失，（iii）功能丧失突变中国科学院免疫或CRISPR-Cas基因座部分或完全缺失所需的基因，或（iv）导致质粒耐受的部分免疫。
图2
图2。不同的突变消除了CRISPR对结合蛋白的免疫表皮葡萄球菌.
(A类)总结本研究中发现的不同突变及其比例。(B类)CRISPR-Cas基因座内突变的分布。表皮葡萄球菌RP62a包含一个CRISPR-Cas系统，该系统包含四个重复（白色方框）、三个间隔符（彩色编号方框）和九个中国科学院/企业社会管理基因。CRISPR逃逸子中发现的突变包括重复间隔区（括号）的缺失、转座子插入（红色箭头；顶部，直接插入；底部，倒置）和单核苷酸缺失或替换（星号）。箭头表示用于分析转共轭体的引物。(C类)使用引物L50/L6对跨接结合物的CRISPR阵列进行PCR分析。显示了分别在擒纵器R23、R10和R2中观察到的1、2和3个间隔物的缺失。M、 DNA标记。重量，使用野生型模板DNA进行扩增。(D类)PCR分析中国科学院使用引物L23/L106的逃逸者基因区域。是256转座子插入csm5型,csm6型和套管6图中分别显示了在逃生器R60、B15和R36中观察到的情况。M、 DNA标记。重量，使用野生型模板DNA进行扩增。
图3
图3。CRISPR转义符累加CRISPR/Cas区域的缺失。
删除的示意图表皮葡萄球菌RP62a基因组。野生型序列以绿色显示，由IS介导的缺失431IS粉色256黄色，Tn554橙色，通过分别在浅蓝色或棕色的SERP2353和SERP2491（nt水平96%相同）或SERP2409和SERP21493（nt水平98%相同）之间重组，以及通过切除SCC地中海紫色盒式磁带。数字表示以kb为单位的基因组坐标。
图4
图4。CRISPR失活和缺失的跨接结合子的适合性。
携带不同类型CRISPR-Cas突变或缺失的转偶联物与野生型之间的成对竞争表皮葡萄球菌RP62a。质粒承载细胞相对频率的变化(年-轴）与传输次数（每天一次传输，x个-轴）。在所有情况下，将野生型细胞的生长与：(A类)控制野生型表皮葡萄球菌RP62a（pG0400多用途终端), (B类)R5、(C类)R60(D类)R14(E类)R7(F类)B15中(G公司)B39页。黑线表示相对频率的平均变化（三个独立实验的值分别显示为红色三角形、蓝色圆圈和绿色菱形）。(H（H）)不同选择系数的预测频率变化，秒。这些是根据方程式计算得出的，数字q/日期 =  –q个(1 –q个)秒，其中q个是质粒携带细胞的相对频率秒是选择系数(秒>0表示质粒承载细胞处于劣势秒<0，质粒承载细胞具有优势）。我们假设稀释度为1/100或t吨 = 每次转移6.64代。
图5
图5。利用CRISPR介导的免疫模拟质粒竞争。
绘制了不同种群密度随时间的变化。标准参数（定义见补充文本2）为：ν=1.4，e（电子） = 5×10−7,k个 = 1, γ = 10−14，初始值，R=2500，CP=200，D1=100，CN=D1=D2=T1=T2=0。（A）CRISPR丢失率（µ）和质粒逃逸突变率（ν）相同，µ=ν=10−7（B）质粒逃逸突变体的高比率，µ=10−7, ν = 3×10−4（C）CRISPR丢失或缺失突变率高，µ=3×10−4, ν = 10−7.
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中的注释

  • 细菌遗传学：克服CRISPR的缺点。
    科尔斯特伦CT。 科尔斯特伦CT。 《国家微生物学评论》。2013年12月；11(12):817. doi:10.1038/nrmicro3157。Epub 2013年10月21日。 《自然微生物评论》。2013 PMID：24141637 没有可用的摘要。

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