細菌の防御:新しい宿主におけるCRISPR適応
研究によると、バイ菌が宿主を変えるときにCRISPR防御をどう適応させるかが分かった。
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細菌は、すべての生き物と同じように、ファージとして知られるウイルスや他の有害なDNAから脅威にさらされています。自分たちを守るために、多くの細菌はCRISPRという防御メカニズムを発展させました。このシステムは、侵入するDNAを認識し攻撃するのを助けます。簡単に言うと、CRISPRは細菌の記憶バンクのようなもので、過去の感染についての情報を保存しておき、同じ脅威が再び現れたときに反応できるようにしています。
CRISPRとは?
CRISPRは、Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeatsの略です。これは細菌の免疫システムの一部です。細菌がファージに遭遇すると、そのDNAの小さな部分を捕まえて、自分たちの遺伝物質にスペーサーとして保存できます。同じファージが再度攻撃すると、細菌はこの保存された情報を使って、ファージのDNAを認識し切断して感染を阻止します。
適応の重要性
時間が経つにつれて、細菌はいろいろな課題に直面します。たとえば、細菌が新しい環境や宿主に移動すると、異なる種類のファージや脅威に遭遇することがあります。これにはCRISPRシステムを適応させる必要があります。新しい脅威に合わせてCRISPRの記憶にある情報を変更しなければなりません。
場合によっては、アクティブなCRISPRシステムを維持するのが細菌にとってコストがかかることがあります。この情報を保存して使うプロセスにはエネルギーや資源が必要です。この防御システムを持つ利点が減少すると、細菌はCRISPRシステムを完全に失うかもしれません。
宿主の変化とその影響
面白い例は、鶏を感染させる細菌病原体のマイコプラズマ・ギャリセプティカムです。この細菌は新しい宿主である家スズメにジャンプしました。M. gallisepticumがこのジャンプをしたとき、新しい挑戦に直面しました。スズメは異なるファージや環境の圧力をもたらし、M. gallisepticumは適応しました。
研究では、宿主が変わった後、M. gallisepticumのCRISPRシステムが大きく変わったことが示されています。家スズメにコロニーを形成した後の数年間で、科学者たちはCRISPRの記憶が完全に変わるのを観察しました。この細菌は鶏に対して有用だった多くのスペーサーを失いましたが、新しい宿主により適したスペーサーを見つけました。
CRISPRシステムの変化
M. gallisepticumが新しい環境に適応する中で、CRISPRシステム内でも変化がありました。研究者たちは、鶏と家スズメから取りたられた複数のM. gallisepticumのアイソレートを調べました。彼らの目的は、新しい宿主にジャンプすることでCRISPRシステムがどのように影響を受けるかを理解することでした。
注目すべき変化の一つは、両方の宿主のCRISPRシステムに存在する異なるスペーサーの数でした。家禽のアイソレートは様々なスペーサーを持っていました。一方、家スズメのアイソレートはスペーサーの多様性が小さく、細菌のCRISPRシステムが大きく変化したことを示しています。
さらに、研究者たちはCRISPRプロセスに重要なタンパク質であるCas9を調べました。彼らは、鶏の系統と家スズメの系統でCas9タンパク質の構造と機能が異なることを発見しました。これは、M. gallisepticumが家スズメの新しい脅威に適応する中でCRISPRシステムが進化していることを示唆しています。
Cas9の役割
Cas9はCRISPR防御メカニズムにおいて重要な役割を果たすタンパク質です。侵入するファージのDNAを切断するのを助けます。Cas9が特定のDNA配列を認識する能力、いわゆるPAM(プロトスペーサー隣接モチーフ)は、その機能にとって不可欠です。
この研究では、研究者たちは家禽株のCas9のPAM認識が家スズメ株とは異なることを発見しました。PAM特異性の違いは、各系統が異なるファージのDNAをどれだけ効果的にターゲットにして切断できるかに影響を与えました。
方法論
これらの変化を研究するために、研究者たちはin vitro(試験管内)とin vivo(生体内)実験の両方を行いました。彼らは両方の宿主からのさまざまなM. gallisepticumのアイソレートを比較しました。遺伝的な構成を分析し、テストを行うことで、CRISPR-Casシステムが時間とともにどのように調整されたかを理解しようとしました。
in vitroアッセイを使用して、異なるCas9タンパク質がどれだけ自分のPAM配列を認識したかを評価しました。これにより、各バージョンのCas9によってどのPAM配列がより効果的に切断されたかを確認できました。
in vivo実験では、特定のPAM配列を含むプラスミドを用いてM. gallisepticum株を変換しました。これらの変換の成功は、in vitro研究の結果を確認するのに役立ちました。
観察と発見
結果は、いくつかの重要な傾向を示しました。最初に、家スズメのアイソレートでは、初期の頃にアクティブなCas9と非アクティブなCas9が共存していました。しかし、ある時点で、すべての家スズメのアイソレートは非アクティブなCas9またはCRISPR遺伝子の部分的な喪失を示しました。その一方で、すべての家禽株はアクティブなCRISPR-Casシステムを維持していました。
次に、研究者たちは二つの宿主間でのスペーサーの多様性に著しい差があることに気付きました。家禽のアイソレートは多くのユニークなスペーサーを持っていましたが、家スズメでは多くのスペーサーが多くのアイソレートの間で共有されていました。
この研究では、Cas9タンパク質の明確な違いも明らかになりました。家禽株は家スズメ株に比べてPAM特異性の変化が大きかったです。この発見は、M. gallisepticumが新しい宿主に移行する際に、新しい選択に直面し、それに応じてCRISPRシステムを調整せざるを得なかったことを示唆しています。
発見の意味
これらの発見は、細菌が新しい宿主や環境にどのように適応するかを説明するのに役立ちます。M. gallisepticumの家スズメへの移行は単なる移動ではなく、一連の生物学的変化を引き起こしました。この細菌は新しいファージや環境の圧力に直面し、最終的にそのCRISPR-Cas防御システムが変化しました。
CRISPRシステムの逐次的な非活性化は、スズメが感染に対して抵抗性を発展させるにつれて、アクティブなCRISPR防御の必要性が減少していることを示しています。これは、細菌と新しい宿主との間の複雑な相互作用を示しています。
まとめ
マイコプラズマ・ギャリセプティカムの研究は、細菌防御におけるCRISPRシステムの重要性を強調しています。新しい宿主環境に適応する過程で、細菌が防御メカニズムを維持するコストにも直面することを示しています。宿主の変化に伴うCRISPR-Casシステムの徐々の変化は、細菌の適応のダイナミックな性質を示しています。
CRISPR-Casの変化を時間をかけて調べることで、科学者たちは細菌の進化、宿主-病原体間の相互作用の性質、細菌とウイルスの敵対者との間の継続的な闘いについての洞察を得ることができます。これらの相互作用を理解することは、細菌感染とその野生生物や農業への影響を管理する戦略を開発するうえで重要です。
結論
結論として、M. gallisepticumの鶏から家スズメへの旅は、微生物の適応に関する興味深いケーススタディです。防御メカニズムとしてのCRISPRの重要な役割を強調し、細菌が新しい困難な環境でも生き残るために戦略を変える方法を明らかにしています。CRISPRシステムを維持することに関連する利点とコストのバランスは、細菌病原体の進化を駆動する重要な要因です。これらの複雑な相互作用を解明し続けることで、細菌の弾力性と適応能力についての理解が深まります。
タイトル: Evolution of the CRISPR-Cas9 defence system in Mycoplasma gallisepticum following colonization of a novel bird host
概要: CRISPR-Cas systems are bacterial defences that target bacteriophages and mobile genetic elements. How these defences evolve in novel host environments remains, however, unknown. We studied the evolution of the CRISPR-Cas system in Mycoplasma gallisepticum, a bacterial pathogen of poultry that jumped into a passerine host [~]30 years ago. Over the decade following the host shift, all isolates displayed a functional CRISPR-Cas system were found not only to harbour completely new sets of spacers, but the DNA protospacer adjacent motif (PAM) recognised by the main effector MgCas9 was also different. These changes in CRISPR-Cas diversity and specificity are consistent with a change in the community of phages and mobile elements infecting M. gallisepticum as it colonised the novel host. In the years following the host shift, we also detected a gradual rise in isolates displaying non-functional MgCas9. After 12 years, all circulating isolates harboured inactive forms only. This loss of CRISPR-Cas function comes at a time when the passerine host is known to have evolved widespread resistance, which in turn drove the evolution of increasing M. gallisepticum virulence through antagonistic coevolution. Such striking concordance in the rise of inactivated forms of CRISPR-Cas and the evolution of host resistance suggests that inactivation of the CRISPR-Cas system was necessary for enabling adaptive bacterial responses to host-driven selection. We highlight the need to consider both host and pathogen selection pressures on bacteria for understanding the evolution of CRISPR-Cas systems and the key factors driving the emergence of a pathogenic bacterium in a novel host. Data summaryThe authors confirm all supporting data and protocols have been provided within the article or through supplementary data files available in the online version of this article. GenBank accession numbers of all publicly available M. gallisepticum genomes are listed in Table S3. Sequences of the CRISPR locus of other strains are also provided in Table S3. Impact statementMycoplasma are minimal bacteria involved in many diseases affecting humans and a wide diversity of animals. In this paper, we report the evolution of the Type II CRISPR-Cas system of the bird pathogen, Mycoplasma gallisepticum, following an host jump from its original poultry host into its novel house finch host in the early 90s. Instances in which bacterial pathogens have been documented to jump into and subsequently adapt to a new host are rare, and the well documented case of M. gallisepticum is a unique model to evaluate the effect of any dramatic host environmental change on bacterial CRISPR-Cas defence systems. First, we performed in silico analyses on an extended set of 98 M. gallisepticum genomes to better understand the evolution of the CRISPR-Cas9 system in the novel finch host. We documented several evolutionary events leading to the drastic divergence of spacer sets present in poultry and house finch arrays, as well as the progressive inactivation of the CRISPR-Cas system after 12 years in the novel finch host. Second, using in vitro and in vivo assays, we demonstrated that the evolution of the MgCas9 PI domain, involved in the protospacer adjacent motif (PAM) recognition has led to a major change in the defence system, with a modification of the recognized PAM in the novel host. Such radical change in the CRISPR-Cas defence system of M. gallisepticum may have implications for the its rapid adaptation to its novel host. Together, our results highlight the need to consider not only the host-driven selection pressures a bacterium experiences, but also the complex interplay between phages and defence systems for better understanding the key factors driving the emergence of a pathogenic bacterium in a novel host.
著者: Pascal Sirand-Pugnet, T. Ipoutcha, I. Tsarmpopoulos, G. Gourgues, V. Baby, P. Dubos, G. E. Hill, Y. Arfi, C. Lartigue, P. Thebault, C. Bonneaud
最終更新: 2024-07-22 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.03.14.532377
ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.03.14.532377.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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