Subiecte

Abstract

Modulele CRISPR - Cas (grupate în mod regulat, intercalate cu repetări palindromice scurte - proteine ​​asociate cu CRISPR) sunt sisteme de imunitate adaptive care sunt prezente în multe arhee și bacterii. Aceste sisteme de apărare sunt codificate de operoni care au o arhitectură extraordinar de diversă și o rată ridicată de evoluție atât pentru cas gene și conținutul unic de distanțier. Aici oferim o analiză actualizată a relațiilor evolutive dintre sistemele CRISPR-Cas și proteinele Cas. Trei tipuri majore de sistem CRISPR - Cas sunt delimitate, cu o divizare suplimentară în mai multe subtipuri și câteva variante himerice. Având în vedere complexitatea arhitecților genomici și evoluția extrem de dinamică a sistemelor CRISPR - Cas, o clasificare unificată a acestor sisteme ar trebui să se bazeze pe criterii multiple. În consecință, propunem o clasificare „polietetică” care integrează filogeniile celor mai frecvente cas genelor, succesiunea și organizarea repetării CRISPR și arhitectura CRISPR–cas loci.

Opțiuni de acces

Abonați-vă la Jurnal

Obțineți acces complet la jurnal timp de 1 an

doar 4,60 EUR pe număr

Toate prețurile sunt prețuri NET.
TVA va fi adăugat mai târziu în casă.

Închiriați sau cumpărați articol

Obțineți acces limitat la timp sau la articol complet pe ReadCube.

Toate prețurile sunt prețuri NET.

sistemelor

Referințe

Deveau, H., Garneau, J. E. și Moineau, S. Sistemul CRISPR/Cas și rolul său în interacțiunile fago-bacterii. Annu. Rev. Microbiol. 64, 475–493 (2010).

Horvath, P. & Barrangou, R. CRISPR/Cas, sistemul imunitar al bacteriilor și archaea. Ştiinţă 327, 167–170 (2010).

Karginov, F. V. și Hannon, G. J. Sistemul CRISPR: apărare mică ghidată de ARN în bacterii și arhee. Mol. Celulă 37, 7-19 (2010).

Koonin, E. V. și Makarova, K. S. CRISPR-Cas: un sistem de imunitate adaptivă la procariote. F1000 Biol. reprezentant. 1, 95 (2009).

Sorek, R., Kunin, V. și Hugenholtz, P. CRISPR - un sistem răspândit care oferă rezistență dobândită împotriva fagilor din bacterii și arhaea. Natura Rev. Microbiol. 6, 181–186 (2008).

van der Oost, J., Jore, M. M., Westra, E. R., Lundgren, M. & Brouns, S. J. Imunitate adaptabilă și ereditară bazată pe CRISPR în procariote. Tendințe Biochem. Știință. 34, 401–407 (2009).

Mojica, F. J., Diez-Villasenor, C., Soria, E. & Juez, G. Semnificația biologică a unei familii de repetiții spațiate în mod regulat în genomurile Archaea, Bacteria și mitocondriile. Mol. Microbiol. 36, 244–246 (2000).

Jansen, R., Embden, J. D., Gaastra, W. & Schouls, L. M. Identificarea genelor care sunt asociate cu repetarea ADN în procariote. Mol. Microbiol. 43, 1565–1575 (2002).

Makarova, K. S., Aravind, L., Grishin, N. V., Rogozin, I. B. & Koonin, E. V. Un sistem de reparare a ADN-ului specific pentru Archaea și bacteriile termofile prezis de analiza contextului genomic. Acizi nucleici Res. 30, 482–496 (2002).

Bolotin, A., Quinquis, B., Sorokin, A. & Ehrlich, S. D. Clusterele repetate în repetate rânduri scurte de palindrom (CRISPR) au distanțieri de origine extracromozomală. Microbiologie 151, 2551–2561 (2005).

Mojica, F. J., Diez-Villasenor, C., Garcia-Martinez, J. & Soria, E. Intervențiile secvențelor de repetări procariote distanțate regulat derivă din elemente genetice străine. J. Mol. Evol. 60, 174–182 (2005).

Pourcel, C., Salvignol, G. & Vergnaud, G. CRISPR elements in Yersinia pestis dobândesc noi repetări prin absorbția preferențială a ADN-ului bacteriofagului și oferă instrumente suplimentare pentru studii evolutive. Microbiologie 151, 653–663 (2005).

Haft, D. H., Selengut, J., Mongodin, E. F. și Nelson, K. E. O breaslă de 45 de familii de proteine ​​asociate CRISPR (Cas) și multiple subtipuri CRISPR/Cas există în genomurile procariote. PLoS Comput. Biol. 1, e60 (2005).

Makarova, K. S., Grishin, N. V., Shabalina, S. A., Wolf, Y. I. & Koonin, E. V. Un sistem imunitar bazat pe interferențe de ARN în procariote: analiza computațională a mașinilor enzimatice prezise, ​​analogii funcționale cu RNAi eucariote și mecanisme ipotetice de acțiune. Biol. Direct 1, 7 (2006).

Carthew, R. W. & Sontheimer, E. J. Origini și mecanisme ale miARN și siARN. Celulă 136, 642-655 (2009).

Barrangou, R. și colab. CRISPR oferă rezistență dobândită împotriva virușilor din procariote. Ştiinţă 315, 1709–1712 (2007).

Garrett, R. A. și colab. Sistemele imunitare sulfolobale bazate pe CRISPR: complexitate și diversitate. Biochimie. Soc. Trans. 39, 51-57 (2011).

Manica, A., Zebec, Z., Teichmann, D. & Schleper, C. In vivo activitatea de apărare a virusului mediată de CRISPR într-un arheon hipertermofil. Mol. Microbiol. 80, 481–491 (2011).

Al-Attar, S., Westra, E. R., van der Oost, J. & Brouns, S. J. Grupate repetate repetate palindromice scurte intercalate în mod regulat (CRISPR): semnul distinctiv al unui mecanism de apărare antiviral ingenios în procariote. Biol. Chem. 392, 277–289 (2011).

Garneau, J. E. și colab. Sistemul imunitar bacterian CRISPR/Cas scindează bacteriofagul și ADN-ul plasmidic. Natură 468, 67–71 (2010).

Sontheimer, E. J. și Marraffini, L. A. Slicer pentru ADN. Natură 468, 45–46 (2010).

Mojica, F. J., Diez-Villasenor, C., Garcia-Martinez, J. & Almendros, C. Secvențe scurte de motive determină țintele sistemului de apărare CRISPR procariotă. Microbiologie 155, 733–740 (2009).

Deveau, H. și colab. Răspunsul fagului la rezistența codificată CRISPR în Streptococcus thermophilus. J. Bacteriol. 190, 1390–1400 (2008).

Brouns, S. J. și colab. ARN-uri CRISPR mici ghidează apărarea antivirală la procariote. Ştiinţă 321, 960–964 (2008).

Deltcheva, E. și colab. Maturarea ARN CRISPR prin trans-ARN mic codificat și factorul gazdă RNase III. Natură 471, 602–607 (2011).

Haurwitz, R. E., Jinek, M., Wiedenheft, B., Zhou, K. & Doudna, J. A. Procesare ARN specifică secvenței și structurii de către o endonuclează CRISPR. Ştiinţă 329, 1355–1358 (2010).

Carte, J., Wang, R., Li, H., Terns, R. M. & Terns, M. P. Cas6 este o endoribonuclează care generează ARN-uri de ghidare pentru apărarea invadatorilor în procariote. Gene Dev. 22, 3489–3496 (2008).

Hale, C. R. și colab. Scindarea ARN ghidată de ARN de un complex proteic ARN-Cas CRISPR. Celulă 139, 945-956 (2009).

Wang, R., Preamplume, G., Terns, M. P., Terns, R. M. și Li, H. Interacțiunea riboendonucleazei Cas6 cu ARN-urile CRISPR: recunoaștere și clivaj. Structura 19, 257–264 (2011).

Marraffini, L. A. și Sontheimer, E. J. Discriminarea de sine versus non-auto în timpul imunității direcționate de ARN CRISPR. Natură 463, 568-571 (2010).

Marraffini, L. A. și Sontheimer, E. J. Interferența CRISPR limitează transferul orizontal de gene în stafilococi prin direcționarea ADN-ului. Ştiinţă 322, 1843–1845 (2008).

Wiedenheft, B. și colab. Baza structurală pentru activitatea DNazei unei proteine ​​conservate implicată în apărarea genomului mediată de CRISPR. Structura 17, 904–912 (2009).

Beloglazova, N. și colab. O nouă familie de endoribonucleaze specifice secvenței asociate cu repetițiile palindromice scurte intercalate în mod regulat. J. Biol. Chem. 283, 20361–20371 (2008).

Tatusov, R. L. și colab. Baza de date COG: o versiune actualizată include eucariote. BMC Bioinformatică 4, 41 (2003).

Sinkunas, T. și colab. Cas3 este o ADN nucleoză monocatenară și helicază dependentă de ATP din sistemul imunitar CRISPR/Cas. EMBO J. 30, 1335–1342 (2011).

Soding, J., Remmert, M., Biegert, A. & Lupas, A. N. HHsenser: căutare exhaustivă de profil tranzitiv folosind comparația HMM - HMM. Acizi nucleici Res. 34, W374 - W378 (2006).

Kleanthous, C. și colab. Baza structurală și mecanicistă a imunității față de colicinele endonucleaze. Nature Struct. Biol. 6, 243–252 (1999).

Jakubauskas, A., Giedriene, J., Bujnicki, J. M. și Janulaitis, A. Identificarea unui singur sit activ HNH în endonucleaza de restricție de tip IIS Eco31I. J. Mol. Biol. 370, 157-169 (2007).

White, M. F. Structura, funcția și evoluția familiei XPD a fierului - conținând sulf 5 ′ → 3 ′ AD helicases. Biochimie. Soc. Trans. 37, 547–551 (2009).

Kunin, V., Sorek, R. & Hugenholtz, P. Conservarea evolutivă a secvenței și a structurilor secundare în repetițiile CRISPR. Genomul Biol. 8, R61 (2007).

Grissa, I., Vergnaud, G. & Pourcel, C. Baza de date și instrumentele CRISPRdb pentru a afișa CRISPR-urile și pentru a genera dicționare de distanțieri și repetări. BMC Bioinformatică 8, 172 (2007).

Altschul, S. F. și Koonin, E. V. PSI-BLAST - un instrument pentru a face descoperiri în baze de date secvențiale. Tendințe Biochem. Știință. 23, 444–447 (1998).

Marchler-Bauer, A. & Bryant, S. H. CD-Search: adnotări de domenii proteice din mers. Acizi nucleici Res. 32, W327 - W331 (2004).

Makarova, K. S., Wolf, Y. I. & Koonin, E. V. Analiză comparativă-genomică cuprinzătoare a sistemelor de tip 2 toxină-antitoxină și a sistemelor mobile de răspuns la stres în procariote. Biol. Direct 4, 19 (2009).

Babu, M. și colab. O funcție duală a sistemului CRISPR - Cas în imunitatea bacteriană antivirus și repararea ADN-ului. Mol. Microbiol. 79, 484-502 (2011).

Guindon, S. & Gascuel, O. Un algoritm simplu, rapid și precis pentru a estima filogenii mari după probabilitate maximă. Syst. Biol. 52, 696-704 (2003).

Han, D., Lehmann, K. și Krauss, G. SSO1450 - o proteină CAS1 din Sulfolobus solfataricus P2 cu afinitate mare pentru ARN și ADN. FEBS Lett. 583, 1928–1932 (2009).

Han, D. & Krauss, G. Caracterizarea endonucleazei SSO2001 din Sulfolobus solfataricus P2. FEBS Lett. 583, 771–776 (2009).

Guy, C. P., Majernik, A. I., Chong, J. P. și Bolt, E. L. O nouă nuclează-ATPază (Nar71) din archaea face parte dintr-un sistem propus de reparare a ADN-ului termofil. Acizi nucleici Res. 32, 6176–6186 (2004).

Selengut, J. D. și colab. TIGRFAM și proprietățile genomului: instrumente pentru atribuirea funcției moleculare și a procesului biologic în genomurile procariote. Acizi nucleici Res. 35, D260 - D264 (2007).

Mulțumiri

Autorii îi mulțumesc lui M. Terns pentru lectura critică a manuscrisului și discuțiile utile. K.S.M., Y.I.W. și E.V.K. sunt susținute de fondurile intramurale ale Departamentului SUA pentru Sănătate și Servicii Umane (Biblioteca Națională de Medicină); D.H.H. este sprijinit de un grant National Institutes of Health din SUA (1 R01 HG004881); E.C. recunoaște finanțarea din partea Universității Umeå, Suedia și a Consiliului suedez de cercetare. S.M. recunoaște finanțarea din partea Consiliului Național de Cercetări în Științe și Inginerie din Canada (programul Discovery); F.J.M.M. recunoaște sprijinul acordat de Universitatea din Alicante, Spania (Vicerrectorado de Investigacion și Desarrollo e Innovacion) pentru utilizarea serviciilor sale tehnice de cercetare; A.F.Y. este susținut de Guvernul Canadei prin Genome Canada și Institutul Ontario de Genomică (grant 2009-OGI-ABC-1405). S.J.B. și J.O. sunt susținute de subvențiile Veni și TOP de la Organizația Olandeză pentru Cercetare Științifică (NWO).

Informatia autorului

Afilieri

Kira S. Makarova, Yuri I. Wolf și Eugene V. Koonin sunt la Centrul Național de Informații despre Biotehnologie, Biblioteca Națională de Medicină, Institutele Naționale de Sănătate, 8600 Rockville Pike, Bethesda, Maryland 20894, SUA.

Kira S. Makarova, Yuri I. Wolf și Eugene V. Koonin

Daniel H. Haft este la Institutul J. Craig Venter, 9704 Medical Center Drive, Rockville, Maryland 20850, SUA.

Rodolphe Barrangou este la Danisco USA Inc., 3329 Agriculture Drive, Madison, Wisconsin 53716, SUA.

Stan J. J. Brouns și John van der Oost sunt la Laboratorul de Microbiologie, Universitatea Wageningen, Dreijenplein 10, 6703 HB Wageningen, Olanda.

Stan J. J. Brouns și John van der Oost

Departamentul de Biologie Moleculară, Emmanuelle Charpentier este la Laboratorul pentru Medicina Infecției Moleculare Suedia, Centrul de Cercetare Microbiană Umeå, Universitatea Umeå, S-90187 Umeå, Suedia.

Philippe Horvath se află la Danisco France SAS, BP10, 86220 Dangé-Saint-Romain, Franța.

Sylvain Moineau este la Departamentul de Biochimie, Microbiologie și Bio-Informatică, Facultatea de Științe și Genetică, Universitatea Laval, Quebec City, Quebec G1V 0A6, Canada.

Francisco J. M. Mojica este la Departamentul de Fiziologie, Genetică și Microbiologie, Universitatea din Alicante, 03080-Alicante, Spania.

Francisco J. M. Mojica

Alexander F. Yakunin este la Banting and Best Department of Medical Research, Universitatea din Toronto, Toronto, Ontario M5G 1L6, Canada.

Alexander F. Yakunin

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar

Puteți căuta acest autor și în PubMed Google Scholar