香港大学发文:利用CRISPR-Cas系统编辑超级细菌

时间:2021年7月23日
来源:The University of Hong Kong

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研究人员报道了一种可转移的整合型CRISPR平台的开发,该平台可以有效地编辑铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的多种临床分离株,铜绿假单胞菌是一种能够感染各种组织和器官的超级细菌,也是医院感染的主要来源。该技术可以加速多药耐药(MDR)病原体耐药决定因素的鉴定和新的抗耐药策略的开发。

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这项研究开辟了一条对野生细菌种类和分离物进行基因组编辑的新途径,如那些具有临床和环境意义的细菌和那些形成人类微生物组的细菌。它还为利用原核基因组中广泛存在的其他CRISPR-Cas系统提供了一个框架,并扩展了基于crispr的工具包。这项研究发表在领先的科学杂志《核酸研究》上。

背景

CRISPR-Cas系统包括原核生物的适应性免疫系统,该系统通过切割入侵病毒的DNA来解除病毒的武装。CRISPR-Cas由于其独特的靶向和改变DNA序列的能力,已被开发为下一代基因组编辑方法。该方法基于第2类II型CRISPR/Cas9系统,该系统彻底改变了大量生物体的遗传学和生物医学研究,并获得了2020年诺贝尔化学奖。然而,第2类CRISPR-Cas系统仅占原核生物中自然编码的CRISPR-Cas系统的10%。它们在编辑细菌基因组方面的应用相当有限。

值得注意的是,属于不同类别和类型的CRISPR-Cas系统不断被识别,它们为基于crispr的工具包的扩展提供了一个深层储层。最多样化和分布最广泛的CRISPR-Cas系统是I类系统,占所有已识别的CRISPR-Cas系统的50%,并有潜力扩展基于crispr的工具包,具有2类系统无法获得的独特优势,如高特异性、最小的非靶向性、并且能够删除大片段。然而,I型CRISPR- cas系统依赖于一种被称为Cascade的多组分效应复合物来干扰不容易转移到异体宿主的DNA,这阻碍了这些天然丰富的CRISPR在基因组编辑和治疗方面的广泛应用。

重要发现

此前,该团队已在一株临床多药耐药铜绿假单胞菌PA154197中鉴定出了一种高度活跃的I-F型CRISPR-Cas系统,该菌株是从玛丽医院的一个血液感染病例中分离出来的。他们对该CRISPR-Cas系统进行了描述,并成功开发了一种适用于MDR分离物的基因组编辑方法。该方法能够快速识别耐多药临床分离株的耐药决定因素,并开发一种新的抗耐药策略(Cell Reports, 2019, 29,1707 -1717)。

为了克服将复杂的I型Cascade转移到异源宿主的障碍,在本研究中,研究小组将整个I- f型cas操纵子克隆到一个整合熟练的载体mini-CTX中,并通过偶联(一种自然界常见的DNA转移方法)将盒体转移到异源宿主中。mini-CTX载体使整个Cascade整合到异体宿主基因组中的保守的attB基因位点上,使其拥有一个能够稳定表达和功能的“本地”I-F型CRISPR-Cas系统。研究小组发现,与可转移Cas9系统相比,转移型I-F级联反应具有更强的DNA干扰能力和更高的菌株稳定性,可以高效(>80%)且简单地用于基因组编辑,即通过一步转化单个编辑质粒。

此外,他们开发了一种先进的可转移系统,包括一个高度活跃的I-F型级联和重组酶,以促进该系统在同源重组能力差的菌株、没有基因组序列信息的野生铜绿假单胞菌分离株和其他假单胞菌物种中的应用。最后,引入的I-F型级联基因可以通过I-F级联介导的大DNA片段的删除,很容易从宿主基因组中删除,从而在宿主细胞中进行无疤痕的基因组编辑。还展示了可转移系统在基因抑制中的应用,突出了已开发的可转移型I-F CRISPR系统的强大和多样化的应用。

严爱新博士预测,这种新方法不仅可以编辑病原体,还可以编辑微生物,以促进人类健康。她说:“我们相信,基于crispr的技术和疗法将为未来抗击超级细菌带来新的希望。”

Journal Reference:

  1. Zeling Xu, Yanran Li, Huiluo Cao, Meiru Si, Guangming Zhang, Patrick C Y Woo, Aixin Yan. A transferrable and integrative type I-F Cascade for heterologous genome editing and transcription modulation. Nucleic Acids Research, 2021; DOI: 10.1093/nar/gkab521

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