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2类CRISPR系统的多功能蛋白，如Cas9，已被用于激活链霉菌中的隐生生物合成基因簇（BGCs），这代表了一个巨大而隐藏的天然产物库。然而，这种方法并不适用于大多数链霉菌菌株，原因尚不清楚。
2024 年 11 月 13 日，天津大学罗云孜联合中国科学院大学叶阳共同通讯在 Nature Communications （IF=14.7）在线发表题为 “Repurposing endogenous type I-E CRISPR-Cas systems for natural product discovery in Streptomyces” 的研究论文。该研究报道了I-E型CRISPR系统发展成为一系列转录调控工具。进一步证明了这种激活剂在9个系统发育上遥远的链霉菌菌株中的有效性。
利用这些工具，作者成功激活了21个bgc中的13个，并鉴定和表征了1个聚酮、1个Ripp和3个生物碱产物。这项工作有望产生深远的影响，并促进从链霉菌中发现许多结构多样的化合物。
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微生物以多产的抗生素生产者而闻名，其中链霉菌尤其重要，它生产了大约三分之二的天然抗生素。然而，自20世纪后期以来，从微生物中发现新抗生素的步伐已经放缓。进入新世纪，随着第二代测序技术的发展，微生物基因组数据量迅速扩大。基因组数据揭示了丰富的生物合成基因簇（BGCs）。然而，进一步的生物信息学分析表明，事实上，在缺乏未知的体内调节信号触发其生物合成的情况下，超过90%的假定微生物代谢物不能在正常的实验室培养条件下产生。因此，开发激活隐性bgc的工具已成为开采新天然产物的有效策略。2类CRISPR系统中的Cas9及其同源物，如Cas12a，是包含多个结构域并具有核酸酶和解旋酶活性的多用途酶，已广泛用于各种生物的基因组编辑。它们在链霉菌中的应用也有报道，包括大片段的删除和插入，以及大bgc的直接捕获。2类CRISPR系统也可用于基因调控。此前，一种启动子敲入策略被应用于驱动隐性BGCs的原位表达，导致5种链霉菌菌株中4种BGCs的激活。CTR/CTA 2.0 的开发和表征（图源自Nature Communications）
探索不同的CRISPR系统为开发具有独特特征的细菌基因调控工具提供了一条有前途的途径。鉴于大多数原核生物都拥有原生的CRISPR系统，利用这些固有的免疫机制进行基因调控是可行的。这种方法允许利用大自然自己的工具包，可能导致在细菌宿主内更有效和更有针对性的遗传操作策略。最近的一项深入研究表明，大多数链霉菌菌株都含有1类I-E型CRISPR系统。与由单一蛋白质组成的2类CRISPR系统不同，所有1类系统都含有多个Cas亚基，这些亚基形成了一个被称为Cascade的复合物（CRISPR相关的抗病毒防御复合物）。典型的I-E型CRISPR系统包含三个核心基因（cas1、cas2和cas3）和级联基因（casA-casB-cas7-cas5-cas6）。在适应过程中，Cas1和Cas2形成一个联盟，从入侵者那里捕获一段DNA。Cas3单独能够解绕DNA/DNA和RNA/DNA双链并切割单链DNA，而Cascade/Cas3复合体在干扰过程中介导DNA缺口。使用I-A型CRISPR系统，产生了不同类型的突变，包括缺失、插入和点突变。I-B型CRISPR系统的使用说明了天然CRISPR在促进酪氨酸丁酸梭菌基因组工程方面的易编程性和显着功效。同样，I-E型CRISPR系统的应用揭示了在大肠杆菌中设计一种具有独特和扩展的调控能力的CRISPR系统的能力。这些发现表明链霉菌内源性1类CRISPR系统可能发展成为转录调控的工具。在该研究中，作者系统地探索了链霉菌I-E型CRISPR级联，在此基础上设计了一系列抑制因子/激活因子，并证明了它们对非模式链霉菌菌株的隐性bgc的激活是有效的。13个负责合成多种天然产物的BGCs被激活，包括linaridins、NRPS和聚酮类化合物，从而可以对这些化合物进行鉴定和表征。总之，该研究开发了一个强大的工具包，有助于精确调控基因表达和有效挖掘链霉菌中的天然产物。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-54196-z![]()
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