《CRISPR-Cas适应的分子机制研究》

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微生物发酵生产过程常常面临着病毒(噬菌体)感染的风险,一旦发生感染将会造成巨大的经济损失,因此,研究和利用微生物的病毒防御机制以构建免疫工程菌株具有重要的理论和生产意义。CRISPR-Cas是微生物中已知的唯一一种适应性免疫系统,类似人体的获得性免疫,可以通过其特有的“适应”过程获得对入侵病毒的高效特异性免疫能力,是构建免疫工程菌的理想工具。然而,CRISPR适应过程和机制在相当长的一段时间内并没有得到解析,甚至在2012年该领域权威专家Doudna JA教授把CRISPR适应过程中“病毒序列高效获取”“异己区分”和“定点整合”的分子机制列为亟待解决的公开问题(Nature,2012,482:331)。

候选人研究团队在古菌中建立了第一例天然CRISPR-Cas系统对纯病毒的高效适应体系,并结合分子遗传学、生物信息学、高通量测序等技术深入解析了该过程的“高效性”、“特异性”、“精确性”三个特征,在国际上首次系统地回答了上述CRISPR研究领域的关键问题。

该团队首次揭示了高效适应过程的“引发”本质,提出了“引发适应”可能是自然界中CRISPR系统主要的适应模式,这一重要论断很快得到了国际同行在其它I型CRISPR系统中的验证,成为CRISPR适应研究领域的普遍共识(Nucleic Acids Res,2014a,42:2483);紧接着,该团队揭示了引发适应还通过巧妙的PAM验证机制实现了严格的异己区分,从而保障引发适应机器特异地从外源病毒分子而非细菌自身DNA上获取记忆序列(spacer)信息(Nucleic Acids Res,2014b,42:7226);该团队还进一步解析了从病毒获取的spacer整合到CRISPR结构中的位点特异性识别机制,首次发现repeat内部回文序列的重要性,并提出的“双分子尺”整合位点的识别模型(Nucleic Acids Res,2016,44:4266)。

上述工作引领并有力推动了CRISPR适应领域的发展,为这一适应性免疫机制的开发和应用奠定了理论基础,并已作为该领域的前沿发现被国际同行在Nature、Cell、Science、PNAS等广泛引用和证实,单篇最高SCI引用已达60余次。基因编辑领域的顶级专家张锋、Doudna JA、Charpentier E,Brouns SJ等在其近期的重要综述或论文中详细介绍了该团队的相关发现及创新性意义(Cell2016,164:29; Science2016,353: aad5147; Mol Cell2016,61:797; PNAS2014,111:E1629;Nature2017,550:137等)。

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