第541次 SKLBE学术论坛

题目：CRISPR的拉马克进化和小RNA“守卫”

报告人：中国科学院微生物研究所李明研究员

时间：2021-7-16 (周五) 10:00-11:30

主持人：张立新教授

地点：商学院205会议室

【摘要】

微生物CRISPR-Cas适应性免疫系统的发现不仅催生了以CRISPR-Cas9为代表的新一代基因编辑技术，而且刷新甚至颠覆了人们对微生物乃至生命进化的认知，因此CRISPR biology的研究具有重要的理论和应用意义，是微生物领域近十年的研究热点之一。CRISPR通过获取外源病毒的DNA片段作为新的spacer单元“记忆”其序列特征（该过程称为适应），然后通过产生crRNA指导Cas蛋白切割再次入侵的病毒DNA，从而实现记忆性免疫。然而，看似完美的CRISPR免疫机器却存在一个阿喀琉斯之踵——即CRISPR在适应过程中如何严谨的区分自身和病毒的DNA，这决定了CRISPR能否高效适应并免疫外源病毒的同时，有效避免对自身DNA的适应和破坏。我们近年来的研究表明，高效的CRISPR适应过程严格需要“引发”，即需要一个已有spacer与病毒DNA之间的不完全匹配，指引适应机器从该DNA分子上高效地、特异地获取新spacer (Nucleic Acids Res, 2014a; 2014b; 2016; 2017; 2019)。这一机制使CRISPR能够发生定向的遗传改变，具有鲜明的拉马克进化特征。除了自免疫风险，CRISPR可能妨碍宿主细胞吸收有益外源DNA，因此难免产生适应度代价。我们最近发现了偶联并守卫CRISPR-Cas的一类双RNA型毒素-抗毒素（CreTA）系统（Science 2021）。CRISPR-Cas利用抗毒素CreA控制毒素CreT的表达，一旦CRISPR-Cas组分被破坏，CreT表达并抑制甚或杀死宿主菌，使菌体对CRISPR-Cas“上瘾”。这一发现为理解CRISPR-Cas系统的广泛性分布提供了全新视角，同时揭示了一类前所未知且功能多样的小RNA“暗物质”，开辟了一个全新的研究领域。

【报告人简介】

李明，博士，中国科学院微生物研究所研究员。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，中国科协青年人才托举工程入选者，中国科学院青年创新促进会会员。2014年于中国科学院大学取得博士学位，荣获中国科学院百篇优博论文、院长优秀奖、优秀毕业生等荣誉。2014-2016年在中国科学院北京基因组研究所从事博士后研究，2016年至今在中国科学院微生物研究所依次任助理研究员、副研究员和研究员。多年来聚焦微生物CRISPR等病毒防御系统的基础理论研究和基因编辑等应用研究，以第一或通讯作者发表Science、Nucleic Acids Res、Cell Reports等论文10篇，回答了CRISPR适应领域长期关注的若干基本科学问题，并首次发现了偶联和守护CRISPR-Cas系统的双RNA型毒素-抗毒素全新功能元件，有力推动并引领了该国际热点领域的研究。目前担任国际期刊Frontiers in Genome Editing的编委，Nucleic Acids Research、Microbiology等国际期刊评委。

【报告人近5年的代表性论著】

1. Li M#*, Gong L#, Cheng F#, Yu H, Zhao D, Wang R, Wang T, Zhang S, Zhou J, Shmakov S, Koonin E, Xiang H*. (2021). Toxin-antitoxin RNA pairs safeguard CRISPR-Cas systems. Science. 372(6541):eabe5601.

2. Xu Z#, Li M#, Li Y, Cao H, Miao L, Xu Z, Higuchi Y, Yamasaki S, Nishino K, Woo PCY, Xiang H*, Yan A*. (2019). Native CRISPR-Cas-Mediated Genome Editing Enables Dissecting and Sensitizing Clinical Multidrug-Resistant P. aeruginosa. Cell Reports. 29(6):1707-1717. 4

3. Gong L, Li M*, Cheng F, Zhao D, Chen Y, Xiang H*. (2019) Primed adaptation tolerates extensive structural and size variations of the CRISPR RNA guide in Haloarcula hispanica. Nucleic Acids Research. 47(11):5880-91.

4. Li M, Gong L, Zhao D, Zhou J, and Xiang H. (2017) The spacer size of I-B CRISPR is modulated by the terminal sequence of the protospacer. Nucleic Acids Research. 45(8):4642-54.

5. Cheng F, Gong L, Zhao D, Yang H, Zhou J, Li M*, Xiang H*. (2017) Harnessing the native type I-B CRISPR-Cas for genome editing in a polyploid archaeon. Journal of Genetics and Genomics. 44(11):541-548. (* co-coresponding author)