[논문 리뷰] Heterologous autoimmunity and prokaryotic immune defense

Hanrong Chen, Andreas Mayer외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 04.

CRISPR and Genetic Engineering참고 문헌 84인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이종 자가면역 반응—외부 DNA 로부터의 CRISPR 스페이서가 숙주 게놈과 교차 반응을 보이는 것—이 CRISPR-Cas 시스템 진화를 형상화하는 선택적 제약으로 작용한다는 것을 제안한다. 확률 모델링과 비교 게놈학을 통해 저자들은 스페이서 길이와 CRISPR 레퍼토리 크기가 자가표적 위험을 최소화하도록 예측 가능하게 척도화됨을 보이며, 이는 세균 및 고세균에서의 실증적 근거와 확률적 스페이서 손실이 종 내 변동성을 설명함으로써 뒷받질린다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 스페이서에 의한 숙주 게놈에 대한 교차 반응적 CRISPR 표적화가 CRISPR-Cas 시스템 진화를 형상화하는 데 기여하는 적합도 비용을 유도하는가를 조사하기 위해.
• 항바이러스 방어와 자가면역 위험 사이의 상충 관계로서 스페이서 길이와 CRISPR 레퍼토리 크기 사이의 척도 관계가 나타나는가를 결정하기 위해.
• 이 척도 관계가 비기능적 CRISPR 레지스트리에서는 존재하지 않음을 테스트하여, 이 관계가 진화적 적응으로서의 역할을 하는지 확인하기 위해.
• 확률적 스페이서 손실이 종 내 예측된 척도 관계 주변의 스페이서 길이 및 레퍼토리 크기 변동성을 얼마나 설명하는가를 검토하기 위해.

제안 방법

• 스페이서 길이, PAM 존재 여부, 게놈 길이를 기반으로 이종 자가표적 위험의 스페이서 당 확률을 추정하는 확률 모델을 개발하였다.
• E. coli 유형 I-E 시스템의 주요 순서 추정치를 사용하여 기본 자가표적 위험 수준(p0 ~10−15, 정확한 일치 기준)을 계산하였다.
• CRISPR 간섭에서 위치 및 뉴클레오티드 의존적 불일치 내성 요소를 통합하여 현실적인 교차 반응 확률을 추정하였다.
• 2,577개의 비율성 CRISPR-Cas 시스템을 가진 고세균 종을 대상으로 비교 게놈학을 적용하여, 레퍼토리 크기별로 분류하여 척도 관계를 테스트하였다.
• 시스템 전용 매개변수의 로그정규분포를 활용한 합성 데이터 생성을 통해 확률적 스페이서 손실을 시뮬레이션하고 관측된 변동성에 미치는 영향을 평가하였다.
• 선형 회귀 분석 및 분류 분석을 수행하여 평균 스페이서 길이와 레퍼토리 크기 사이의 척도 법칙을 테스트하였으며, CRISPR 유형별 하위군 분석도 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 스페이서에 의한 숙주 게놈에 대한 교차 반응적 표적이 CRISPR-Cas 시스템에서 유의미한 자가면역 반응 위험을 초래하는가?
• RQ2 이종 자가면역 위험을 최소화하기 위해 스페이서 길이와 CRISPR 레퍼토리 크기 사이에 예측 가능한 척도 관계가 존재하는가?
• RQ3 이 척도 관계는 다양한 CRISPR-Cas 유형과 비율성 시스템을 가진 종에서는 유지되지만, 비기능적 레지스트리에서는 유지되지 않는가?
• RQ4 확률적 스페이서 손실이 예측된 척도 관계 주변의 종 내 스페이서 길이 및 레퍼토리 크기 변동성의 어느 정도를 설명하는가?

주요 결과

• 2,577개의 비율성 CRISPR-Cas 시스템을 가진 고세균 종에서 평균 스페이서 길이와 CRISPR 레퍼토리 크기 사이의 척도 관계가 실증적으로 관찰되었으며, 로그선형 회귀 분석 결과 ln(N) = (1.2 ± 0.02) × ls + const.로 표현되었으며, 여기서 N은 레퍼토리 크기이고 ls는 스페이서 길이다.
• 비기능적 CRISPR 레지스트리가 있는 344개 종에서는 이 척도 관계가 존재하지 않아, 이는 비록 기능적 면역 시스템이 진화적 압력 아래에 있을 때만 관련된다는 것을 시사한다.
• 다양한 CRISPR-Cas 유형의 비율적 사용이 척도 관계의 기초를 이룬다: 더 긴 스페이서를 가진 유형들(예: I형 및 III형)은 레퍼토리 크가 클수록 빈도가 증가하는 반면, 더 짧은 스페이서를 가진 유형들(예: II-A형, II-C형)은 빈도가 감소한다.
• 시스템 전용 매개변수의 로그정규분포를 활용한 확률적 스페이저 손실 모델링이, 동일한 종 내에서도 스페이서 길이 및 레퍼토리 크기의 변동성을 설명하며, 이는 척도 관계 주변의 변동성에 기여한다.
• 실제 교차 반응 조건 하에서 이종 자가표적 확률은 10−4에서 10−5의 범위로 추정되었으며, 이는 무시할 수 없는 위험임을 시사한다.
• 기능적 cas 유전자를 가진 종에서 게놈 길이와 평균 스페이서 길이 사이에 유의미한 상관관계가 발견되지 않아, 스페이서 길이가 게놈 크기의 영향을 받는 것이 아니라 자가면역 위험의 상충 관계에 의해 결정된다는 것을 시사한다.