Science：CRISPR/Cas9大革命（附原文）

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' z. z8 x) ~% iScience：CRISPR/Cas9大革命5 [, [, b1 T0 A* S5 M/ h3 t
2014-05-19 1 来源：生物360 作者：koo
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1 R" N1 d4 f& c2 V+ |DNA编辑技术CRISPR近年来风生水起，已经开始取代了其它基因组编辑工具，如锌指核酸酶和 TALENs等。不过目前科学家们对于这一技术中的RNA引导核酸内切酶：Cas9了解的还不够多，如果能更精确的掌握这种酶在CRISPR系统中如何发挥作用的，将能提高这一技术的使用效率和特异性。  M9 ]' j# Z6 v
5月16日Science杂志发表了题为“Cas9 Targeting and the CRISPR Revolution”的综述性文章，指出近期的一些生化试验和结构研究有助于解析Cas9这种关键酶，这些研究成果为未来合成生物学，转化医学研究，以及新一代基因组工程中的新应用奠定了基础。
/ o& N; F- U; g( @3 tCRISPR本身是一种防御系统，用以保护细菌和古细菌细胞不受病毒的侵害。在这些生物基因组中的CRISPR位点能表达与入侵病毒基因组序列相匹配的小分子RNA 。当微生物感染了这些病毒中的一种，CRISPR RNA就能通过互补序列结合病毒基因组，并表达CRISPR相关酶，也就是Cas，这些酶都是核酸酶，能切割病毒DNA ，阻止病毒完成其功能。0 K+ M* h" \: t# ^% _' M" X! W
将CRISPR/ Cas系统用于其它非细菌细胞需要满足两个条件：一个Cas酶，用于切断靶标DNA，比如目的基因中的DNA片段，另外一个就是称为导向RNA（gRNA）的RNA分子，这种分子能通过互补结合靶标。$ y( ?% T* W7 g5 c: f$ v; ~* j+ ~
其中Cas酶至关重要，为了能更好的利用这一技术工具，不少实验室解析了这种酶的精确分子机制，探索其如何靶向和作用于DNA的。近期Sternberg等人就确定了Cas9在病毒感染过程中是如何在RNA序列的引导下识别和降解外源DNA，以及在动物和植物细胞中诱导位点特异性遗传改变的。' a+ Y$ F, G+ ]9 u" j1 j3 ~! l- S7 t
研究人员通过结合单分子成像和大量的生化试验，证实Cas9的基因组编辑能力是通过称作为“PAM”（ protospacer adjacent motif）的短DNA序列来实现的。这一研究揭示了PAM的两个主要功能，解释了它对于Cas9能够靶向和切割与导向RNA相匹配的DNA序列如此至关重要的原因。在外源DNA的靶向位点附近存在PAM，而宿主基因组的这些靶向位点则缺乏PAM，使得Cas9能够精确区分必须降解的非自身DNA和几乎完全相同的自身DNA。此外，存在PAM也是激活Cas9酶的必要条件。. W8 P% c" l, x# U' j
研究人员指出，Cas9只在识别PAM后才利用RNA–DNA碱基配对来解读DNA寻找匹配的序列，这样避免了意外地靶向细菌自身基因组中的匹配位点。然而，即使Cas9以某种方式与自身基因组中的一段匹配序列错误地结合，没有PAM也无法触发催化核酸酶的活性。利用这种DNA解读机制，PAM提供了两个冗余的检查点，确保Cas9不会错误地破坏它自身的基因组DNA。$ |' o# I8 v2 {  q" D- x
此外，在结构研究方面，瑞士苏黎世大学、美国加州大学伯克利分校等处的研究人员今年2月首次解析出酶Cas9的详细三维结构图：研究人员利用X射线晶体分析法获得两种主要类型的Cas9酶的2.6埃和2.2埃分辨率的晶体结构图。然后利用单颗粒电子显微术(single-particle electron microscopy)揭示出Cas9与它的导向RNA(guide RNA, gRNA)如何合作从而与靶DNA序列相互作用。
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2 @6 O' S" P6 B5 y结构分析显示Cas9具有相同的结构核心，这个结构核心的特征为一种具有两个主叶(major lobe)——一个核酸酶结构域叶和一个α-螺旋叶---的蛤蜊形状(clam-shaped)的结构。这两个主叶含有保守性的裂缝，而这些裂缝在核酸结合中发挥功能。
  s6 Y$ _5 a  x# c还有来自麻省理工等处的研究人员首次报道的Cas9复合体的高分辨率图片，从中揭示出这种Cas9复合体的劳动分工。
0 m( `7 @$ G1 a! ^研究人员发现Cas9由两个裂片(lobe)组成：一个裂片参与识别向导RNA和靶DNA组分，另一个裂片负责切割靶DNA，导致双链DNA断裂从而让靶基因失去功能。而且他们也发现Cas9与导向RNA之间的界面上的关键性结构，当Cas9准备切割靶DNA链时，这些结构允许Cas9在导向RNA和靶DNA周围自我组装。
1 M3 b( S+ G0 E/ T( m. k4 e这些生化机理和结构上的重要成果将有助于解决CRISPR系统应用中的一些问题，从而更好的改进CRISPR技术，满足科学家们的要求。; A. A) l5 ~8 H+ b
原文检索：
$ H0 g/ F8 p& t0 w* g! ?9 o+ ERodolphe Barrangou. Cas9 Targeting and the CRISPR Revolution. Science, 16 May 2014; DOI: 10.1126/science.1252964
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% C2 \' t, F: g2楼原文 感谢Jonathan 提供

Jonathan

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谢谢提供原文。

张大牛2013

谢谢提供原文