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.2014年6月；42(10):6091-105.
doi:10.1093/nar/gku241。 Epub 2014年4月11日。

II型CRISPR-Cas系统的分类和演变

Krzysztof Chylinski先生 1, Kira S Makarova公司 2, Emmanuelle Charpentier公司 三, 尤金·库宁 4
附属公司
审查

II型CRISPR-Cas系统的分类和演变

克日什托夫·钦斯基等。 核酸研究. 2014年6月.

摘要

古菌和细菌适应性免疫的CRISPR-Cas系统根据CRISPR相关（Cas）基因的储备、Cas操纵子的组织和CRISRP阵列中重复序列的结构而不同，可分为三种类型。CRISPR-Cas系统中最简单的是II型，在II型中，干扰外源脱氧核糖核酸（DNA）所需的核酸内切酶活性集中在单个多域蛋白Cas9中，并由共同处理的双trarRNA:crRNA分子引导。这种紧凑的酶机器和易于编程的位点特异性DNA靶向使II型系统成为新一代强大的基因组工程工具的首选。这里我们报告了细菌和古生物基因组中CRISPR-Cas系统的最新普查。II型系统是最罕见的，在古生菌中缺失，在约5%的细菌基因组中有代表性，在病原体和共生体中有过多代表性。系统发育分析表明，至少有三个cas基因，cas1、cas2和cas4，以及II-B型系统的CRISPR重复序列是通过与I型CRISPR-cas位点重组获得的。在不同转座子编码的蛋白质中鉴定出Cas9的远距离同源物，这表明II型CRISPR-Cas是通过移动核酸酶基因与I型位点的重组进化而来的。

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图1。
图1。
II型CRISPR-Cas系统机制的总体方案。(A类)不同的II型亚型显示了负责新间隔区获得的蛋白质。(B类)三个主要亚型的典型II型CRISPR-Cas基因座结构以及一个代表性菌株基因座方案。红色和橙色箭头：分别表示转录方向的tracrRNA和scaRNA；黑色矩形：重复；钻石：垫片；红色矩形：退化重复；黑色箭头：前crRNA启动子。在II-B型中，前crRNA启动子相对于scaRNA的定位尚不清楚（见“II型CRISPR-Cas在scaRNA的毒力和起源中的作用”一段）；箭头仅表示前crRNA转录的方向。注意基因座结构在以下方面的差异中国科学院基因组成、tracrRNA和重复间隔区阵列转录定向和tracrRNA位置。(C类)II型CRISPR-Cas系统的机制。所有II型CRISPR-Cas系统（中间）通用的经典DNA靶向途径涉及Cas9-稳定的tracrRNA的协同处理：tracrRNA反重复序列与前crRNA重复序列结合后，RNase III对前crRNA进行双工，然后通过一种未知机制对crRNA进行修剪。成熟的tracrRNA:crRNA引导Cas9内切酶在入侵DNA中引入位点特异性dsDNA断裂。此处所示的II-A型机械装置化脓链球菌也显示了II-A型嗜热链球菌(22,51). 另一种DNA靶向机制（右），如脑膜炎双球菌（38），由于直接从上游重复编码启动子转录短crRNA，不涉及RNase III共处理。在类型II-B中F.诺维达（39），该系统进化为可能靶向内源性mRNA表达（左）。我们假设与tracrRNA:crRNA-Cas9类似，tracrRNAs:scaRNA-Cas9复合物首先形成。复合物中的scaRNA将通过未知核酸酶进行修剪[根据RNAseq数据（未显示），最丰富的scaRNA形式的大小小于预测值（39）]。tracrRNA:scaRNA-Cas9在tracrRNA3′区域与靶mRNA结合后进一步识别mRNA，导致其通过未知机制降解。
图2。
图2。
Cas9结构域组织、基序和与远同源物的关系的示意图。(A类)Cas9域体系结构的概述。(B类)Cas9蛋白质主要类群之间的结构域组织和保守序列基序的比较。(C类)Cas9远缘同源物的结构域。同源区域用相同的颜色表示。与补充图S8进行比较。这个化脓链球菌根据Cas9结构（76,77），带有域和域边界的Cas9示意图如（A）所示。参见补充图S4。不同的序列基序由相应的保守氨基酸残基表示。（A）中所示的残基在所有五个Cas9组和（B）中的给定亚型中都是保守的。与补充图S4进行比较。一个结构域或一个不同区域的大小大致与长度成正比，基序根据其在各自蛋白质中的大致位置显示。该方案来源于每组的多重比对。（B）中蛋白质示意图左侧的色码对应于图4中Cas9系统发育树的主要分支。HTH：螺旋转螺旋DNA结合域；富R：精氨酸富集区；HNH：相应家族的核酸酶。
图3。
图3。
II-B型CRISPR-Cas系统的起源。(A类)PSI-BLAST程序用于从Refseq数据库中的2262个完整基因组中检索Cas1蛋白序列。使用BLASTCLUST程序（长度覆盖阈值0.8；得分密度阈值1.0）选择205个代表性序列。使用MUSCLE程序建立多重校准（详见补充材料和方法）。树的重建使用了FastTree程序（[Jones-Taylor-Thornton（JTT）进化模型，20个速率类别的站点速率的离散伽马模型；详细信息请参阅补充材料和方法]。如上文Cas1树所示，使用FastTree程序重建Cas2和Cas4系统发育树。这些家族的序列是从与所选Cas1代表相同的基因组邻域中选择的（这两个蛋白家族中的一些不完整序列要么被省略，要么被其他物种的密切相关序列所取代）。II-B型支管用绿色箭头表示。树枝是根据案例1基于10个上游和10个下游基因的分析，CRISPR-Cas亚型的基因。X表示未知类型的系统或那些被预测为各自系统导数的系统（着色时）。这些树仅以示意图形式显示，完整的树如补充图S2所示。(B类)CRISPR的对数倍体重复属于Cas1系统发育树上II-B型分支相邻的几个分支的基因组。簇1和簇2用虚线表示。II-B型（集群2）标识单独显示。详见附图S3。
图4。
图4。
Cas9系统发育作为II型系统分类的基础。使用MUSCLE程序构建代表性Cas9序列集的多重比对，然后根据PSI-BLAST、HHPRED和二级结构预测的成对比对结果进行手动调整（有关详细信息，请参阅补充材料和方法）。
图5。
图5。
Csn2亚家族的多重排列及其特定结构元素的比较。(A类)使用MUSCLE程序分别为每个Csn2亚家族构建多序列比对。然后，根据HHPRED确定的保守区域，对线形进行叠加，并根据二级结构预测进行一些手动调整（详见补充材料和方法）。多个ATP酶序列的比对基于向量比对搜索工具（VAST）结构比对嗜热链球菌（3ZTH）（17）用作查询（详见补充资料和方法）。 . 序列由其GI编号和物种名称表示。二级结构预测和映射到Csn2长亚族和短亚族各自晶体结构的二级结构元素显示在每个Csn2族的对齐上方。每个序列都显示了对应蛋白质中对齐区域的第一个和最后一个残基的位置。对齐中的数字表示未显示的保存较差的插入。二级结构预测如下：H表示α-螺旋，E表示延伸构象（β-链）。在三个具有更多代表性的家族中，强保守的位置通过反向阴影显示。着色是基于为更大的排列建立的70%一致性（补充图S7）。每个家族的比对下面也显示了90%的一致性：“h”表示疏水残基（WFYMLIVA），“c”表示带电残基（EDKRH），“s”表示小残基（AGS）。(B类)五个不同Csn2亚家族结构（实际和预测）的示意图。圆柱形表示α螺旋和箭头β链。
图6。
图6。
scaRNA-tracrRNA基因座的示意图弗朗西塞拉菌株。代表物种的II-B型CRISPR-Cas位点结构（见图4）和多样性弗朗西斯属显示了物种。红色和黄色箭头：tracrRNA和scaRNA，相应地指示已确认（22）或预测的转录方向；黑色矩形和绿色菱形：重复–间隔数组；红色矩形：退化重复；白钻石：退化阵列的假定间隔物。带有scaRNA启动子和转录终止子的退化阵列间隔物显示为黄色。重复间隔数组的假定启动子用虚线箭头表示。scaRNA-encoding spacer–repeat–spacer unit仅在两个分析菌株中发现，在F.诺维达3523，缺少转录终止编码间隔区。还请注意，退化重复序列通常出现在重复间隔序列的5′端。参见补充图S12。
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    1. Makarova K.S.、Wolf Y.I.、Koonin E.V.《古生菌和细菌防御系统的比较基因组学》，《核酸研究》2013；41:4360–4377.-项目管理咨询公司-公共医学
    1. Barrangou R.，Horvath P.CRISPR：噬菌体抗性和菌株鉴定的新视野。每年。食品科学评论。Technol公司。2012;3:143–162.-公共医学
    1. Wiedenheft B.、Sternberg S.H.、Doudna J.A.RNA引导的细菌和古菌遗传沉默系统。自然。2012;482:331–338.-公共医学
    1. van der Oost J.、Jore M.M.、Westra E.R.、Lundgren M.、Brouns S.J.基于CRISPR的原核生物适应性和遗传免疫。生物化学趋势。科学。2009;34:401–407.-公共医学
    1. Makarova K.S.、Haft D.H.、Barrangou R.、Brouns S.J.、Charpentier E.、Horvath P.、Moineau S.、Mojica F.J.、Wolf Y.I.、Yakunin A.F.等。CRISPR-Cas系统的演化和分类。自然修订版微生物。2011;9:467–477.-项目管理咨询公司-公共医学

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