単一および共起のCRISPR-CASシステムにおけるパムレピートの関連性とスペーサーの選択の好み

背景：適応型CRISPR-CAS免疫システムは、過去の侵略者からのシーケンスをCRISPRアレイのスペーサーとして保存し、それにより、侵略者をホストにリンクするという直接的な証拠を提供します。Mapping CRISPRスペーサーは、Protospacer隣接モチーフ（PAM）などのターゲット要件を含む、CRISPR-CAS生物学の多くの側面を明らかにしました。ただし、これまでのところ、データベース内のマッピングスペーサーの数が少ないことにより、研究は制限されています。 結果：広大なメタゲノムシーケンスデータベースを使用することにより、さまざまな微生物から200,000を超える一意のCRISPRスペーサーの約3分の1をマッピングし、特定のCRISPR-CASサブタイプに関連する200以上のユニークなPAMシーケンスのカタログを導き出します。これらのPAMはさらに、CRISPRアレイの方向を正しく割り当てるために使用され、CRISPRリピートとPAMの最後のヌクレオチド間の保存されたパターンを明らかにします。また、Open ReadingフレームのテンプレートまたはコーディングストランドのいずれかをターゲットにするためのCRISPR-CASサブタイプ固有の好みを推定することもできます。一部のDNAターゲティングシステム（タイプI-EおよびタイプIIシステム）はテンプレート鎖を好み、mRNAを回避しますが、他のDNAおよびRNAターゲットシステム（タイプI-AおよびI-BおよびタイプIIIシステム）はコーディング鎖とmRNAを好みます。さらに、CRISPR-CAS適応機械とCRISPRアレイの両方が異なるCRISPR-CASシステム間で共有されているという大規模な証拠が見つかります。これは、侵略者の同時DNAとRNAターゲティングにつながる可能性があり、これはモバイル遺伝的侵入者との闘いに効果的である可能性があります。 結論：この研究は、GRISPR-CASシステムがゲノム配列のみが知られている幅広い生物でどのように機能するかを理解するために幅広い意味を持っています。

BACKGROUND: The adaptive CRISPR-Cas immune system stores sequences from past invaders as spacers in CRISPR arrays and thereby provides direct evidence that links invaders to hosts. Mapping CRISPR spacers has revealed many aspects of CRISPR-Cas biology, including target requirements such as the protospacer adjacent motif (PAM). However, studies have so far been limited by a low number of mapped spacers in the database. RESULTS: By using vast metagenomic sequence databases, we map approximately one-third of more than 200,000 unique CRISPR spacers from a variety of microbes and derive a catalog of more than two hundred unique PAM sequences associated with specific CRISPR-Cas subtypes. These PAMs are further used to correctly assign the orientation of CRISPR arrays, revealing conserved patterns between the last nucleotides of the CRISPR repeat and PAM. We could also deduce CRISPR-Cas subtype-specific preferences for targeting either template or coding strand of open reading frames. While some DNA-targeting systems (type I-E and type II systems) prefer the template strand and avoid mRNA, other DNA- and RNA-targeting systems (types I-A and I-B and type III systems) prefer the coding strand and mRNA. In addition, we find large-scale evidence that both CRISPR-Cas adaptation machinery and CRISPR arrays are shared between different CRISPR-Cas systems. This could lead to simultaneous DNA and RNA targeting of invaders, which may be effective at combating mobile genetic invaders. CONCLUSIONS: This study has broad implications for our understanding of how CRISPR-Cas systems work in a wide range of organisms for which only the genome sequence is known.