第1章 CRISPR的发现和重要发展 1
1.1概述 2
1.2早期突破 3
1.2.1规律间隔重复序列 3
1.2.2分枝杆菌中的同向重复序列 3
1.2.3嗜盐古菌中的TREPs 4
1.2.4原核微生物重复序列新家族 4
1.2.5古细菌和细菌中CRISPR序列的分布 6
1.2.6加工的CRISPR转录物的发现 6
1.2.7CRISPR相关蛋白的鉴定 8
1.3CRISPR-Cas系统的功能 9
1.3.1早期假设 9
1.3.2CRISPR与入侵遗传元件的关系 10
1.3.3CRISPR系统的功能多样性 12
1.4基于CRISPR系统的功能元件 15
1.4.1CRISPR相关蛋白（Cas） 17
1.4.2CRISPR序列 18
1.4.3前导区 19
1.4.4重复序列 20
1.4.5间隔序列 21
1.4.6前间隔区毗邻基序 23
1.4.7CRISPR RNAs 23
1.5反馈 25
第2章 CRISPR-Cas系统的形成、多样性和基因分型意义 35
2.1概述 35
2.2评估CRISPRs的整体多样性 37
2.2.1生物信息学工具 37
2.2.2在已公布的基因组中发现的CRISPRs多样性 40
2.3CRISPR多态性用于基因分型的历史案例 46
2.3.1为什么需要以及如何进行种内分型 46
2.3.2种内CRISPR变异 47
2.3.3复杂微生物组中CRISPR多样性的后续研究 55
2.4讨论 55
第3章 CRISPR-Cas系统的进化与分类和Cas蛋白家族 64
3.1概述 65
3.2CRISPR-Cas系统的分类 65
3.3Cas蛋白家族 66
3.3.1Cas1和Cas2：在间隔区获得中发挥作用的Cas特征蛋白 66
3.3.2HD结构域：干扰所需的单链特异性DNAse 68
3.3.3级联相关性蛋白 69
3.3.4RAMPs的三大家族 71
3.3.5CRISPR-Cas操纵子中RAMP基因的特征性排列 73
3.3.6各种Ⅰ型和Ⅲ型CRISPR-Cas系统的大小亚基之间推测的同源性 74
3.3.7Ⅱ型CRISPR-Cas系统和Cas9同源物 80
3.3.8关于CRISPR-Cas系统起源和进化的假设 82
3.3.9结论 87
第4章 基于CRISPR的免疫应答调控 94
4.1对大肠杆菌CRISPR系统的调控 95
4.1.1CRISPR序列的转录 95
4.1.2通过H-NS实现级联复合物的转录调控 97
4.1.3通过转录因子LeuO激活大肠杆菌CRISPR系统 99
4.1.4H-NS和CRISPR防御导致的异基因沉默 100
4.1.5包膜和热休克应激反应对CRISPR活性的作用 101
4.1.6CRISPR-Cas的调控功能 104
4.2噬菌体感染期间嗜热链球菌的CRISPR转录激活和cAMP-CRP的作用 104
4.3硫化叶菌中DNA重复序列结合Cbpl蛋白调控CRISPR转录 105
4.4重叠cas基因：通过翻译耦合作用进行调控？ 106
4.5调控与不被调控的CRISPR系统 108
第5章 crRNA的生物合成 115
5.1概述 116
5.2Ⅰ型系统的crRNA生物合成 116
5.2.1Ⅰ型crRNA在体内的表达和加工 118
5.2.2Ⅰ-A，Ⅰ-B，Ⅰ-E和Ⅰ-F亚型中，核糖核酸内切酶Cas6/6x在重复序列中切割前crRNA 119
5.2.3Ⅰ-C亚型中，Cas5d作为切割前crRNA的核糖核酸内切酶 121
5.3Ⅱ型系统中的crRNA生物合成 122
5.3.1Ⅱ型crRNAs在体内的表达和加工 123
5.3.2tracrRNA反式激活重复序列中前crRNA的切割 123
5.3.3持家核糖核酸内切酶Ⅲ共加工tracrRNA和前crRNA 124
5.3.4Cas9是RNaseⅢ共加工tracrRNA和前crRNA过程中所必需的 125
5.3.5体内有活性Ⅱ型crRNA靶向入侵的DNA 126
5.3.6Ⅱ型系统中常见的tracrRNA定向加工前crRNA 126
5.4Ⅲ型系统的crRNA生物合成 127
5.4.1Ⅲ型crRNA在体内的表达和加工 128
5.4.2核糖核酸内切酶Cas6在重复序列中切割前crRNA 129
5.4.3核糖核酸内切酶Cas6的结构 131
5.4.4产生成熟crRNAs的第二次加工机制 132
5.4.5Ⅲ型系统成熟crRNA靶向DNA（Ⅲ-A）或RNA（Ⅲ-B） 134
5.5结论与展望 136
5.5.1用于前crRNA加工的亚型依赖性Cas蛋白 137
5.5.2亚型（型）依赖性成熟crRNAs的组成和长度 138
5.5.3不同成熟crRNAs的差异表达水平 139
5.5.4折叠或不折叠 139
5.5.5与真核RNA干扰类似的途径 140
第6章 Ⅰ型CRISPR-Cas系统的分布与机制 146
6.1概述 146
6.1.1Ⅰ型CRISPR-Cas基因座 147
6.1.2Ⅰ型系统的间隔区和重复序列 147
6.2细菌和古生菌中CRISPR-Cas亚型分布情况 148
6.3Ⅰ型CRISPR系统介导的防御机制 154
6.3.1CRISPR系统的适应性 154
6.3.2CRISPR表达和crRNA成熟 156
6.3.3CRISPR干扰 160
6.4展望 165
第7章 Ⅱ型CRISPR-Cas系统的生物与遗传特性 171
7.1历史沿革 171
7.2嗜热链球菌Ⅱ型系统 173
7.2.1CRISPR基因座结构 173
7.2.2前导区 176
7.2.3cas基因及相关蛋白 177
7.2.4CRISPR-RNA 182
7.2.5tracrRNA序列 183
7.2.6前间隔区相邻基序 185
7.3Ⅱ-A亚型系统的普遍性 186
7.3.1完整的Ⅱ-A亚型系统 186
7.3.2每组Ⅱ-A亚型系统的独特属性 189
7.4Ⅱ型CRISPR-Cas系统的3个阶段 189
7.4.1CRISPR适应 189
7.4.2CRISPR-Cas系统的表达 192
7.4.3CRISPR干扰 192
7.5Ⅱ型CRISPR-Cas系统的应用 194
7.5.1在嗜热链球菌分型方面的应用 194
7.5.2嗜热链球菌BIMs在工业上的应用 194
7.6结论 195
第8章 Ⅲ型CRISPR-Cas系统和CRISPR-Cas的细菌毒性作用 201
8.1Ⅲ型系统简介 201
8.2CRISPR RNA的生物转化 204
8.2.1Ⅲ-A型系统 204
8.2.2Ⅲ-B型系统 207
8.3靶向定位 208
8.3.1Ⅲ-A型系统 209
8.3.2Ⅲ-B型系统 210
8.4CRISPR-Cas系统在细菌性病原体进化中的作用 211
第9章 应用CRISPR-Cas系统研究生态多样性和宿主-病毒相互作用 221
9.1概述 222
9.2自然种群背景下CRISPR-Cas系统的突出特征 223
9.3微生物菌种中CRISPR-Cas基因座的多样性 225
9.4使用CRISPR间隔区检测环境中宿主多样性 229
9.5病毒多样性 234
9.6宿主-病毒相互作用的理论模型 237
9.6.1免疫学模型 239
9.6.2生态模型 240
9.6.3空间模型 241
9.6.4共进化生态模型 243
9.6.5综合模型 244
9.7结论与未来展望 245
第10章 CRISPR在生理过程调控中的作用 253
10.1概论 253
10.2CRISPR在微生物社会性行为调控中的作用 254
10.2.1CRISPR/原噬菌体相互作用对铜绿假单胞菌生物膜形成的影响 254
10.2.2CRISPR对黄色粘球菌中菌丝体形成的调控 257
10.3基于CRISPR调控的其他证据 259
10.3.1基于CRISPR的基因调控对大肠杆菌包膜应激的响应 259
10.3.2单核细胞增生利斯特氏菌EGD-e中CRISPR衍生的调控性非编码RNA 260
10.3.3Casl在DNA修复中的作用 261
10.4CRISPR驱动的自身免疫及其进化意义 262
10.5尚待发现的CRISPR其他可能作用 263
10.6结论 264
第11章 多功能CRISPR-Cas系统的应用 271
11.1概述 271
11.2抵御病毒的抗性 273
11.2.1“CRISPerization”：通过反复攻击菌种以提高其噬菌体抗性 273
11.2.2人造间隔区工程方法 275
11.2.3微生物之间的转化 276
11.3抵御非病毒核酸侵袭的免疫作用 276
11.3.1质粒干扰 277
11.3.2对其他可移动元件的干扰 277
11.4基于CRISPR的基因调控 278
11.5基于CRISPR的菌株分型方法 278
11.6追踪细菌菌株或病毒株 280
11.7自然遗传标记 280
11.8Cas核酸内切酶重编程和限制性酶定制 282
11.9CRISPR-Cas系统的其他应用 283
11.10结论与展望 284
第12章 微生物群落背景下的CRISPRs 291
术语词汇表 296
索引 299
后记 303