CRISPR-Cas与一种新型毒素-抗毒素系统的偶联机制研究

Both the adaptive immune system CRISPR-Cas and the TA (toxin-antitoxin) module play an antivirus role in prokaryotes, and become the recent research hot spots. However, they represent two different antivirus strategies: CRISPR-Cas elicits active defense by targeting the foreign nucleic acid; in contrast, by affecting essential host molecules, TA leads to altruistic suicide or dormancy when immunity fails. Yet, there is no direct evidence for their potential functional coupling. We recently discovered a TA pair embedded within the well studied Haloarcula hispanica CRISPR-Cas architecture, and significantly, the poison moiety seems to be an RNA toxin, which has never been reported. In this project, we combine bioinformatic analysis and molecular/genetic experiments to dissect the molecular interactions between CRISPR-Cas and TA components, and employ the previously established CRISPR-virus adaptation model and high-throughput sequencing analysis to investigate the functional role of the TA module during CRISPR-based defense and the toggle between them. This would provide the first insights into the interactions between CRISPR-Cas and TA, which would exemplify the coupling principles between active immunity and suicide/dormancy strategies. In addition, we plan to dissect the toxicity mechanism of the new RNA toxin, which will arguably expand our knowledge on the TA diversity and facilitate exploiting the RNA-RNA toxin-antitoxin mechanisms.

CRISPR-Cas和毒素-抗毒素（简称TA）近年来成为微生物研究的前沿热点，在病毒防御过程中代表两种不同的策略，前者通过靶向病毒组分实现主动免疫，而后者通过靶向宿主组分在主动免疫失败时诱发自杀/休眠，防止病毒扩散。但是，尚未有充分证据表明两者是否存在偶联。最近，我们发现西班牙盐盒菌的CRISPR-Cas系统携带一对TA组分，且和已知的TA系统不同，其toxin似乎以RNA形式发挥作用。本项目将结合生物信息学分析和分子遗传学技术解析CRISPR-Cas和TA组分间的分子互作，并借助我们前期基于病毒构建的CRISPR适应性免疫模型和高通量测序技术，分析TA在适应性免疫过程中的生理作用和感应机理，并以CRISPR-Cas和TA为例探讨主动免疫和自杀/休眠这两种防御策略的偶联关系。我们也将探索RNA形式toxin的致毒机制，为深入认识TA系统的多样性和开发利用这一新的TA类型提供理论基础。

CRISPR-Cas是微生物的适应性免疫系统，由其产生的CRISPR基因编辑工具极大推动了生命科学的发展，具有重要的理论和应用研究意义。本项目聚焦I型CRISPR-Cas基因簇内部隐藏的一对分别具有细胞毒性和抗毒性的小RNA，在国际上首次揭示了“基因魔剪”的护卫RNA系统，取得了一系列具有领域内引领性的原创理论成果。.(1)在初期工作中我们首次对I型crRNA分子进行了全面的结构突变分析，揭示了crRNA分子具有高度的可塑性，为理解CRISPR效应物的干扰、引发和基因调控等多重生理功能奠定了理论基础。.(2)解析了抗毒素RNA通过模拟crRNA指引Cascade复合物抑制毒素RNA转录的全新机制，揭示了多亚基CRISPR效应物的转录调控生理功能，为开发新型CRISPR技术提供了新策略。.(3)揭示了毒素RNA通过劫持稀有tRNA阻断翻译过程，从而产生抑菌效应的全新毒性机制，颠覆了TA领域“毒素均为蛋白质”的传统认知，定义了全新的TA类型（在近日发表的Nature Review Microbiology中被归为VIII类）。.(4)揭示了新型TA对CRISPR-Cas的保护作用，即在CRISPR效应物被破坏时引发细胞休眠或死亡通路，从而在细胞群体水平上维持CRISPR-Cas系统的稳定性，为人们理解CRISPR系统的广泛分布提供了重要线索。.(5)发现了新型TA在多个古菌、细菌CRISPR-Cas系统中的分布，并揭示了它们的进化起源，为这类TA的预测寻找提供了重要参数，同时也为原核生物非编码小RNA的研究打开了新的窗口。.上述系列研究成果发表于国际顶级期刊Science和Nucleic Acids Research上，不仅为CRISPR-Cas和TA研究领域开辟了新方向，在国际上产生了重要的学术影响；而且为CRISPR工具的创新优化提供了新策略和新元件，或将推动我国合成生物学技术的创新发展。