Nature Microbiology
低氧激活小鼠肠道中CRISPR–Cas免疫

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该研究揭示了低氧环境激活Enterobacteriaceae家族细菌中CRISPR–Cas免疫系统的机制，拓展了对生理条件下CRISPR–Cas调控的理解，为研究肠道微生物群与外来DNA相互作用提供了新视角。

 

文献概述
本文《低氧激活小鼠肠道中CRISPR–Cas免疫》，发表于《Nature Microbiology》杂志，回顾并总结了低氧环境如何通过转录调控因子Fnr激活Citrobacter rodentium的I-E型CRISPR–Cas系统。研究进一步发现，该机制在Enterobacteriaceae细菌中广泛存在，为研究该家族细菌在肠道环境中抵御外来DNA入侵提供了理论依据。

背景知识
CRISPR–Cas系统是原核生物中广泛存在的适应性免疫系统，能够识别并切割外来DNA或RNA以保护细胞免受噬菌体或质粒的侵袭。然而，除了少数例外，CRISPR–Cas系统的生理条件下的调控机制尚不清楚，尤其是其在天然环境中是否活跃，以及调控因子如何影响其功能。Enterobacteriaceae是一类常见的肠道细菌，其成员如大肠杆菌、克雷伯氏菌等在低氧环境中定植并活跃。本文聚焦于小鼠肠道病原菌Citrobacter rodentium，研究其CRISPR–Cas系统在低氧条件下的调控机制，揭示Fnr蛋白在此过程中起关键作用。此外，研究还显示CRISPR–Cas系统在宿主肠道中可能通过低氧信号或其他调控机制激活，以对抗噬菌体或其他遗传元件的入侵，为肠道微生物与免疫系统互作研究提供了新方向。

 

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研究方法与实验
研究人员利用RNA测序分析Citrobacter rodentium在有氧与无氧培养条件下的转录组变化，发现无氧条件下CRISPR–Cas系统基因表达显著升高。随后，通过质粒保留实验（plasmid retention assay）验证CRISPR–Cas系统在不同氧气环境中的活性。进一步结合转座子插入突变（InducTn-seq）筛选，鉴定出Fnr为关键调控因子，并通过突变Fnr结合位点确认其对CRISPR–Cas激活的重要性。最后，研究团队通过动物实验验证该系统在肠道内的功能，发现野生型菌株在感染后期显著降低质粒保留率，而Δcas3-2和Δfnr突变株则表现出更高的质粒保留率，表明低氧通过Fnr激活CRISPR–Cas免疫。

关键结论与观点

• 在无氧条件下，Citrobacter rodentium的CRISPR–Cas系统显著激活，质粒保留率从92%下降至1%。
• Fnr蛋白在无氧环境下结合到CRISPR–Cas基因簇上游，直接调控Cas蛋白表达，突变Fnr结合位点可消除CRISPR–Cas免疫。
• 在Gammaproteobacteria中，约41%的Enterobacteriaceae菌株基因组上游存在Fnr结合位点，表明该调控机制在家族内广泛存在。
• 肠道内低氧环境可能通过Fnr激活CRISPR–Cas系统，以抵御噬菌体或其他移动遗传元件的入侵，提供适应性优势。

研究意义与展望
该研究首次揭示低氧作为CRISPR–Cas系统激活的生理信号，为理解肠道微生物群中基因防御机制提供了新思路。未来可进一步研究Fnr以外的调控因子，以及低氧与群体感应等其他生理信号的交叉调控，拓展CRISPR–Cas系统在宿主环境中的适应性研究。此外，该机制可能影响肠道噬菌体疗法或基因编辑工具的递送效率，具有转化医学应用潜力。

 

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结语
本研究首次在生理条件下揭示低氧激活Enterobacteriaceae细菌CRISPR–Cas免疫系统的机制，发现Fnr为关键调控因子，且该机制在肠道细菌中广泛存在。这一发现不仅拓展了对CRISPR–Cas系统调控的理解，也为研究宿主肠道环境中的微生物适应性提供了新方向，对噬菌体疗法、基因编辑递送策略优化及合成生物学工具开发具有重要意义。

 

Ian W Campbell, David W Basta, Franz G Zingl, Sudhir Doranga, and Matthew K Waldor. Anoxia activates CRISPR–Cas immunity in the mouse intestine. Nature Microbiology.