[論文レビュー] Heterologous autoimmunity and prokaryotic immune defense

Hanrong Chen, Andreas Mayer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2021

CRISPR and Genetic Engineering参考文献 84被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、外来DNA由来のCRISプロスパッターがホストゲノムと交差反応を示す異種自己免疫——これがCRISPR-Casシステムの進化を形作る選択的制約として機能する——と提唱している。確率的モデリングと比較ゲノミクスを用いて、スパッター長とCRISPRリPERTOワサイズが自己標的化リスクを最小化するように体系的にスケーリングされることを示し、細菌および古細菌において実証的根拠が得られ、確率的スパッター喪失が種内変動を説明する。

ABSTRACT

Some prokaryotes possess CRISPR-Cas systems that provide adaptive immunity to viruses guided by DNA segments called spacers acquired from invading phage. However, the patchy incidence and limited memory breadth of CRISPR-Cas systems suggest that their fitness benefits are offset by costs. Here, we propose that cross-reactive CRISPR targeting can lead to heterologous autoimmunity, whereby foreign spacers guide self-targeting in a spacer-length dependent fashion. Balancing antiviral defense against autoimmunity predicts a scaling relation between spacer length and CRISPR repertoire size. We find evidence for this scaling through comparative analysis of sequenced prokaryotic genomes, and show that this association also holds at the level of CRISPR types. In contrast, the scaling is absent in strains with nonfunctional CRISPR loci. Finally, we demonstrate that stochastic spacer loss can explain variations around the scaling relation, even between strains of the same species. Our results suggest that heterologous autoimmunity is a selective factor shaping the evolution of CRISPR-Cas systems.

研究の動機と目的

• 外来スパッターによるホストゲノムへの交差反応的標的化が、CRISPR-Casシステムの進化に影響を与える適応的コストをもたらすかどうかを調査すること。
• 抗ウイルス防御と自己免疫リスクのトレードオフとして、スパッター長とCRISPRリPERTOワサイズのスケーリング関係が出現するかどうかを特定すること。
• このスケーリング関係が非機能的CRISPR座標に存在しないことから、進化的適応としてのその役割を裏付けること。
• 確率的スパッター喪失が、種内におけるスパッター長とリPERTOワサイズの変動を予測されたスケーリング関係の周囲で説明できるかどうかを検討すること。

提案手法

• スパッター長、PAMの有無、ゲノム長に基づいて、各スパッターの異種自己標的化確率を推定する確率的モデルを構築した。
• E. coli I-E型システムの数量オーダーの推定値を用い、ベースラインの自己標的化リスク（正確一致時でp0 ~10−15）を計算した。
• CRISPR干渉における位置および塩基依存のミスマッチ耐性を組み込み、現実的な交差反応確率を推定した。
• 2,577種の機能的CRISPR-Casシステムを有するプロカリオートの比較ゲノム解析を実施し、リPERTOワサイズで層別してスケーリングを検証した。
• システム固有のパラメータを対数正規分布で生成した合成データを用い、確率的スパッター喪失の影響を評価した。
• 線形回帰と層別解析を実施し、平均スパッター長とリPERTOワサイズの間のスケーリング則を検証した。CRISPRタイプ別にサブグループ分析も実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外来スパッターによるホストゲノムへの交差反応的標的化が、CRISPR-Casシステムにおいて顕著な自己免疫リスクをもたらすか？
• RQ2 異種自己免疫リスクを最小化するように、スパッター長とCRISPRリPERTOワサイズの予測可能なスケーリング関係が存在するか？
• RQ3 このスケーリング関係が、多様なCRISPR-Casタイプおよび機能的システムを有する種では成立するが、非機能的座標を有する種では成立しないか？
• RQ4 確率的スパッター喪失が、種内におけるスパッター長とリPERTOワサイズの変動を、予測されたスケーリング関係の周囲でどの程度説明できるか？

主な発見

• 2,577種の機能的CRISPR-Casシステムを有するプロカリオートにおいて、平均スパッター長とリPERTOワサイズの間のスケーリング関係が実証的に観察された。対数線形フィットでは ln(N) = (1.2 ± 0.02) × ls + const. が得られ、ここでNはリPERTOワサイズ、lsはスパッター長を表す。
• 非機能的CRISPR座標を有する344種ではこのスケーリング関係が認められず、これは機能的免疫系が進化的圧力下に置かれていることと関連していることを示唆している。
• 異なるCRISPR-Casタイプの割合的利用がスケーリングの背後にある：長スパッターを持つサブタイプ（例：I型およびIII型）はリPERTOワサイズが大きいと頻度が上昇するが、短スパッター型（例：II-A型、II-C型）は逆に減少する。
• システム固有パラメータの対数正規分布を用いた確率的スパッター喪失モデルにより、同じ種内でもスパッター長とリPERTOワサイズの変動がスケーリング関係の周囲で説明可能であることが示された。
• 現実的な交差反応性条件下で、異種自己標的化の確率は10−4から10−5の範囲に推定され、無視できないリスクであることが示された。
• 機能的cas遺伝子を有する種において、ゲノム長と平均スパッター長との間に有意な相関は認められず、スパッター長がゲノムサイズではなく自己免疫のトレードオフによって決定されていることを示唆している。