Cell Rep：揭示Cas4蛋白在CRISPR/Cas系統中的功能

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全球的科學家們越來越多地將一種被稱作CRISPR-Cas9的細菌免疫防禦系統作為對活細胞中的DNA進行編輯的工具。這種新技術讓基因編輯變得更加容易和更加精確。但是，這些CRISPR系統如何在自然界中起作用還獲得完全理解。如今，在一項新的研究中，來自荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員確定了存在於多種CRISPR系統中的一種被稱作Cas4的蛋白的作用。他們證實這種蛋白有助於細菌細胞形成對入侵病毒的DNA序列的記憶，從而保護它們免受病毒感染。利用Cas4獲得的病毒記憶能夠有助細菌細胞足夠快地找到並摧毀入侵病毒，從而存活下來。這一發現是為全面理解CRISPR系統而取得的另一項重要進展。相關研究結果發表在2018年3月27日的Cell Reports期刊上，論文標題為「Cas4 Facilitates PAM-Compatible Spacer Selection during CRISPR Adaptation」。

圖片來自Getty Images/TU Delft。

儘管人眼觀察不到，但是細菌和病毒一直在相互交戰。每天，被稱作噬菌體的微小病毒樣顆粒都會殺死地球海洋中的大約三分之一的細菌。代爾夫特理工大學的Stan Brouns博士解釋道，「這類病毒將它們的DNA或RNA注入細菌細胞中，嘗試並控制它。如果這種劫持取得成功，那麼這種病毒就能夠將細菌用作生產自身拷貝的小型工廠。」

基因記憶

作為對病毒入侵的反擊，細菌經過進化產生防禦機制，如具有切割病毒DNA的能力因而中和這種威脅的CRISPR-Cas9。然而，在這種情形發生之前，細菌需要擁有對一種病毒的基因記憶。它必須認識到這種病毒是一種威脅。

這種記憶是通過細菌獲取病毒的DNA片段並將這些片段插入到自己的遺傳密碼中形成的。 如果相同類型的病毒再次攻擊這種細菌，那麼細菌細胞就會識別入侵者並派遣切割蛋白，如Cas9。將這些病毒DNA片段產生的RNA作為一種「備忘單」，這種切割蛋白開始尋找並破壞這種病毒，從而讓細菌保持安全。

病毒DNA片段

科學家們已知道幾種蛋白存在大多數CRISPR系統中。然而到目前為止，一種被稱為Cas4的蛋白的作用仍然是不清楚的。與Cristóbal Almendros一起作為論文第一作者的博士生Sebastian Kieper說，「鑒於這種蛋白存在於大多數的CRISPR系統中，我們知道它定是比較重要的。」

為了發現Cas4到底發揮什麼作用，這些研究人員將Cas4基因導入到含有主要的CRISPR記憶形成機制的大腸桿菌細胞中。他們並沒有將這個基因引入到其他的細胞中。Brouns說，「我們發現，在沒有Cas4的情況下，這種細菌仍然形成針對入侵病毒的記憶，但是這些記憶不能提供保護。」換言之，僅當Cas4存在時，入侵病毒的DNA片段才被插入到這種細菌的基因組中，從而讓這種細菌細胞產生病毒抵抗力。

功能性記憶

進一步的研究揭示出細菌在沒有使用Cas4的情況下為什麼不能夠使用它們形成的記憶。這與前間隔序列鄰近基序（protospacer adjacent motif, PAM）有關，其中PAM是由少量鹼基對組成的短DNA序列，起著作為Cas9等DNA切割蛋白的識別點的作用。Brouns說，「利用Cas9進行基因組編輯的任何人都知道選擇PAM對實驗取得成功是至關重要的。」

細菌面臨同樣的問題。Brouns解釋道，「當選擇一段病毒DNA作為記憶插入到細菌基因組中時，CRISPR系統也需要選擇側翼有PAM的序列。Cas蛋白將利用PAM序列尋找它的靶序列，它不會靶向側翼沒有PAM的DNA序列。」因此，PAM也起著保護作用，阻止Cas蛋白切割細菌自己的DNA。

Cas4的作用是確保僅側翼有PAM的病毒DNA序列插入到細菌的DNA中。這導致細菌產生功能性記憶，從而確保當病毒再次嘗試攻擊，這些細菌能夠利用形成的記憶阻止病毒入侵。

這些研究人員如今正在研究這個過程是如何發揮作用的，以及如何利用這一發現。

原始出處：

Sebastian N. Kieper, Cristóbal Almendros, Juliane Behler et al. Cas4 Facilitates PAM-Compatible Spacer Selection during CRISPR Adaptation. Cell Reports, 27 March 2018, 22(13):3377–3384, doi:10.1016/j.celrep.2018.02.103

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