| 초록 |
1.분석자 서문 세균 및 고세균(bacteria and archaea)에서 처음 발견된 일정한 간격을 두고 주기적으로 분포하는 짧은 회문 반복서열(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)과 CRISPR-관련 단백질은 파지(phage)와 다른 외래성 유전인자(foreign genetic elements)에 대한 적응 면역 시스템(adaptive immune system)을 구성하고 있다. 본 분석물에서는 다양한 CRISPR-Cas 시스템의 생물학적 성질과 CRISPR-Cas 면역의 3단계, 즉 적응, crRNA 생합성 및 간섭에 대한 기본 메커니즘을 이해하고, CRISPR-Cas의 면역계를 넘어선 생물학적 역할이 무엇인지를 고찰하고 앞으로 이 시스템이 나아가야 할 방향을 논의하고자 한다. 2. 목차 1. 서론 2. 간섭: 침입자 DNA 및 RNA의 절단 3. 제1 CRISPR-Cas Systems에서의 간섭 3.1. 유형 I 3.2. 유형 III 4. 제2 CRISPR-Cas Systems에서의 간섭 4.1. 유형 II 4.2. 유형 V 4.3. 유형 IV 5. crRNA Biogenesis: Cas 단백질을 위한 생성 가이드 5.1. 유형 1의 crRNA의 성숙 5.2. 유형 2의 crRNA의 성숙 6. 적응: 외래 핵산 기억하기 6.1. Protospacer의 기원 6.2. Protospacer 선택 및 처리 6.3. Protospacer의 통합 6.4. Primed spacer의 획득 7. CRISPR-Cas의 생태 및 규제 7.1. Phages Counter CRISPR-Cas 7.2. CRISPR-Cas의 이점과 비용의 균형 8. 면역 외에 CRISPR-Cas의 기능 9. 결론 및 향후 전망 CRISPR-Cas 원핵 면역체계는 의심할 여지없이 현대 미생물학에서 가장 중요한 발견 중의 하나이다. CRISPR-Cas9의 효율성과 단순성은 강력한 게놈 편집 도구로서의 활용성을 높이고 있다. 그러나 CRISPR-Cas에 대한 생물학적 연구 성과들은 이 시스템이 매우 복잡하고 다양하다는 것을 점점 더 분명히 하고 있다. 지난 10년간 이루어진 광범위한 연구 결과들은 CRISPR-Cas에 대한 이해를 위한 기본 틀을 구축하고 적응 면역에 대한 상당한 통찰력을 구축하기는 하였지만 아직까지도 소수의 CRISPR-Cas 유형에 대해서만 이해하고 있을 뿐이다. Protospacer 선택 및 통합과 관련된 메커니즘이 유형 간에 상당히 보존되어 있는 것도 상당히 흥미로운 연구 주제가 될 것이다. 일부 시스템에서 Cas1과 Cas2 또는 CRISPR 배열이 현저히 결여되는 현상이 나타나는데 이는 여러 CRISPR-Cas 유전자좌가 여러 시스템 간에 협력함을 시사한다. CRISPR-Cas은 toxinantitoxin(TA) 시스템과도 협력하는데, TA 시스템에 의해 유발된 휴면 상태는 바이러스 생식을 감속시킬 가능성이 있으므로 파지 감염 동안 CRISPR 매개 면역 반응을 유도할 수 있는 시간을 허락한다. 실제로 Cas1과 Cas2는 TA 모듈과 상당히 유사하다. 이제 CRISPR 연구를 위한 새로운 10년을 맞이하는 시점에서, 가까운 미래에 CRISPR-Cas 생물학의 복잡성과 다양성에 대한 포괄적인 이해를 통하여 면역에서의 CRISPR-Cas의 역할을 넘어선 새로운 통찰력을 얻을 수 있기를 기대한다. References 1. Hille F, Richter H, Wong SP, Bratovic M, Ressel S, Charpentier E. (2017) The Biology of CRISPR-Cas: Backward and Forward. Cell 172, 1239-1259. 2. Jansen, R., Embden, J.D., Gaastra, W., and Schouls, L.M. (2002). Identification of genes that are associated with DNA repeats in prokaryotes. Mol. Microbiol. 43, 1565–1575. 3. Barrangou, R., Fremaux, C., Deveau, H., Richards, M., Boyaval, P., Moineau, S., Romero, D.A., and Horvath, P. (2007). CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science 315, 1709–1712. 4. Koonin, E.V., and Makarova, K.S. (2013). CRISPR-Cas: evolution of an RNA based adaptive immunity system in prokaryotes. RNA Biol. 10, 679–686. 5. Kazlauskiene, M., Kostiuk, G., Venclovas, C., Tamulaitis, G., and Siksnys, V. (2017). A cyclic oligonucleotide signaling pathway in type III CRISPR-Cas systems. Science 357, 605–609. 6. Elmore, J.R., Sheppard, N.F., Ramia, N., Deighan, T., Li, H., Terns, R.M., and Terns, M.P. (2016). Bipartite recognition of target RNAs activates DNA cleavage by the Type III-B CRISPR-Cas system. Genes Dev. 30, 447–459. 7. Garneau, J.E., Dupuis, M.-E` ., Villion, M., Romero, D.A., Barrangou, R., Boyaval, P., Fremaux, C., Horvath, P., Magada´ n, A.H., and Moineau, S. (2010). The CRISPR/Cas bacterial immune system cleaves bacteriophage and plasmid DNA. Nature 468, 67–71. 8. Mekler, V., Minakhin, L., and Severinov, K. (2017). Mechanism of duplex DNA destabilization by RNA-guided Cas9 nuclease during target interrogation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 114, 5443–5448. 9. Anantharaman, V., Makarova, K.S., Burroughs, A.M., Koonin, E.V., and Aravind, L. (2013). Comprehensive analysis of the HEPN superfamily: identification of novel roles in intra-genomic onflicts, defense, pathogenesis and RNA processing. Biol. Direct 8, 15. 10. Abudayyeh, O.O., Gootenberg, J.S., Konermann, S., Joung, J., Slaymaker, I.M., Cox, D.B.T., Shmakov, S., Makarova, K.S., Semenova, E., Minakhin, L., et al. (2016). C2c2 is a single-component programmable RNA-guided RNAtargeting CRISPR effector. Science 353, aaf5573. ※ 이 자료의 분석은 전남대학교의 김혜은님께서 수고해주셨습니다. |
