Транспозиция инсерционной последовательности инактивирует CRISPR

Nature Communications, том 14, номер статьи: 4366 (2023) Цитировать эту статью

2178 Доступов

20 Альтметрика

Подробности о метриках

Системы иммунитета CRISPR-Cas защищают геномы прокариот, подавляя вторжение мобильных генетических элементов. Здесь мы проверили геномные последовательности прокариот и выявили множественные естественные транспозиции инсерционных последовательностей (IS) в гены cas, инактивируя таким образом защиту CRISPR-Cas. Затем мы создали систему захвата IS, используя штаммы Escherichia coli с различными IS и индуцибельной cas-нуклеазой, для мониторинга вставок IS в гены cas после индукции двухцепочечного разрыва ДНК в результате физиологического стресса хозяина. Мы идентифицировали несколько событий, опосредованных различными IS, особенно IS1 и IS10, демонстрирующими значительную ослабленную целевую специфичность. Транспозиция IS в cas поддерживалась в присутствии механизма репарации ДНК, также была обнаружена транспозиция в другие защитные системы хозяина. Наши результаты подчеркивают потенциал ИС противодействовать активности CRISPR, тем самым увеличивая восприимчивость бактерий к инвазии чужеродной ДНК.

Приобретение чужеродной ДНК путем горизонтального переноса, например, генов устойчивости к антибиотикам, может повысить приспособленность бактерий1,2. Однако у прокариот также есть защитные механизмы для противодействия вторжению вирусов и других генетических паразитов3,4. Сгруппированные системы коротких палиндромных повторов с регулярными промежутками (CRISPR)/Cas являются доминирующим защитным механизмом, который защищает прокариотов от инвазивных генетических элементов за счет использования специфических направляющих РНК (crRNA), генерируемых из массива CRISPR, банка последовательностей ДНК, встроенных в хозяина. генома и получены из чужого генетического материала5,6. crRNA «программируют» CRISPR-ассоциированный (Cas) белок связывать и расщеплять целевые последовательности, комплементарные последовательности crRNA7. На основе сигнатурных эффекторов Cas и механистических свойств системы CRISPR/Cas в настоящее время подразделяются на два класса и шесть типов8. Эндонуклеаза SpCas9 типа II-A из Streptococcus pyogenes содержит два нуклеазных домена, RuvC и HNH, которые могут расщеплять нецелевую цепь и целевую цепь соответственно9,10. Иммунные системы врожденного ограничения-модификации (RM)11 также ограничивают генетический паразитизм, как и другие элементы защиты прокариот, такие как системы абортивной инфекции12 и системы токсин-антитоксин13.

Однако, несмотря на иммунную систему, инсерционные последовательности (IS) и другие мобильные генетические элементы (MGE) по-прежнему в значительной степени опосредуют горизонтальный перенос генов между видами14,15. IS, широко распространенные в природе MGE, генетически компактны, окружены инвертированными концевыми повторами и, как правило, фенотипически загадочными мобильными элементами, которые кодируют только транспозазы, чтобы облегчить их перемещение, что обычно приводит к дупликациям целевых сайтов (TSD) переменной длины, фланкирующих вставку. сайты16,17. Из-за случайной транспозиции и возможности гомологичной рекомбинации между двумя идентичными копиями IS IS иногда могут оказывать вредное воздействие на хозяина18,19. Однако ИС, особенно в составе составных транспозонов, также могут обеспечить хозяину некоторые преимущества в выживании, в том числе за счет модуляции метаболизма20, облегчения репарации ДНК21 и повышения вирулентности и устойчивости к противомикробным препаратам22,23. Следовательно, транспозиция IS в хозяина может способствовать взаимному выживанию.

Защитные системы CRISPR-Cas являются обоюдоострым мечом, поскольку они потенциально могут повредить полезную чужеродную ДНК, одновременно защищая хозяина, и иногда наблюдалось упразднение систем CRISPR-Cas MGE. Например, профаг может интегрироваться в последовательности массива CRISPR24, а вставка IS в локусы CRISPR наблюдалась при определенных условиях окружающей среды25, что приводит к восприимчивости к генетическому хищничеству.

В этой работе наши первоначальные исследования выявили разнообразные случаи вставок IS в гены cas, что, вероятно, приводит к отмене систем иммунитета CRISPR у многих прокариот. Мы предполагаем, что разрушение механизма CRISPR может повысить восприимчивость хозяина к полезным чужеродным MGE, тем самым способствуя приобретению полезных качеств и обеспечивая эффективную адаптацию к экологическим проблемам. Используя Escherichia coli в качестве основы, мы демонстрируем взаимодействие между механизмами CRISPR-Cas и IS, которое модулирует приспособленность хозяина посредством разрушения CRISPR-Cas, вызванного двухцепочечными разрывами ДНК (DSB). Примечательно, что благодаря итеративному мутагенезу сайтов-мишеней IS в генах cas IS1 и IS10 становятся заметными игроками в разрушении генов cas в E. coli DH10B, демонстрируя свою значительную гибкость в распознавании сайтов-мишеней. Более того, транспозиция IS в CRISPR-Cas поддерживается во время введения негомологичных систем репарации с соединением концов (NHEJ), а анализ генома показывает, что IS прерывают другие системы защиты прокариот. Эти результаты демонстрируют ключевую роль ИС в противодействии активности CRISPR-Cas и других механизмов генетической защиты у прокариот.