检测已知CRISPR-Cas系统及发掘未知Cas蛋白

作     者：吴祉乐 

作者单位：上海师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王金

授予年度：2021年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071007[理学-遗传学] 

主      题：CRISPR系统 Cas 宏基因组 基因挖掘 新型Cas蛋白 

摘      要：CRISPR-Cas系统是一种RNA引导的序列特异性核酸内切酶复合物。这类系统在原核生物的进化中为其提供适应性免疫防御,以靶向和切割源自噬菌体和其他外源遗传物质的核酸。自CRISPR-Cas系统问世以来,围绕这类仅存在细菌/古细菌体内的特殊免疫系统的研究层出不穷。CRISPR-Cas系统也不再是单纯的细菌抵御外源核酸的免疫机制,它成为了一种用作基因组编辑和核酸检测的全新工具。与以往的锌指核酸酶（Zinc Finger Nuclease,ZFN）技术、类转录激活因子效应物核酸酶（Transcription Activator-like Effector Nuclease,TALEN）技术不同,CRISPR-Cas基因编辑技术具有可编程、低成本、易操作等优点,被广泛应用于生物学的各个领域。虽然目前已经成功鉴定了CRISPR-Cas9、CRISPR-Cas12和CRISPR-Cas13等成熟的系统,但我们却对这类系统的起源和进化知之甚少,无法完整地还原这类系统的演化过程。同时,由于绝大部分的细菌/古细菌无法在实验室中正常培养生长,这也导致了可能仍有不少同为CRISPR-Cas系统的不同类型系统未被研究者发现。在本研究中,作者将对CRISPR-Cas系统的发展、组成、分类及各类型功能进行概述,同时还将提供一种基于HMMER比对及Cas蛋白图谱的针对已知CRISPR-Cas基因簇进行类型分配和未知Cas蛋白发掘的自定义计算管线。研究者可直接输入基因组/宏基因组拼接数据（Scaffolds/Contigs）,经过计算管线的检测CRISPR基因座及Cas同源蛋白比对步骤,最终可得到序列内包含的已知CRISPR-Cas系统相关数据及未知的Cas蛋白的相关信息。此外,本文通过计算管线对两组来源不同的数据集进行了详细的分析,验证了该计算管线对已知CRISPR-Cas系统的检测能力外,还得出了9个可能具备CRISPR-Cas相关功能的大于800aa的蛋白,并对其中最有可能的3个Cas蛋白所在的CRISPR基因簇提出了可能具备的CRISPR免疫机制猜想。