生物物理所解析 Ⅵ 型 CRISPR-Cas 系统 C2c2-RNA 复合物结构

yinfuhua

生物物理所解析 Ⅵ 型 CRISPR-Cas 系统 C2c2-RNA 复合物结构0 M4 a9 }+ V# T3 N6 _' O
来源:生物物理研究所 / 作者:cas / 2017-01-13: t. C2 \' a/ c, ?6 p% b
1 月 12 日，《细胞》（Cell）杂志发表了中国科学院生物物理研究所王艳丽课题组关于 Ⅵ 型 CRISPR-Cas 系统的效应蛋白 C2c2 的结构研究。标题为 Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities。该研究解析了 Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中 C2c2 与 crRNA (CRISPR-RNA) 的二元复合物以及 C2c2 在自由状态下的晶体结构，揭示了 LshC2c2 通过两个独立的活性结构域来发挥其两种不同的 RNA 酶切活性，这为研究 C2c2 发挥 RNA 酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。* H9 V& \" ^! I3 Q! L
CRISPR/Cas 系统是古菌和细菌的抵抗病毒和质粒侵染的重要免疫防御系统。CRISPR-Cas 系统划分为两大类，第一大类 CRISPR-Cas 系统由多亚基组成的效应复合物发挥功能；第二大类是由单个效应蛋白（如 Cas9、Cpf1、C2c1 等）来发挥功能。其中，Cas9、Cpf1、C2c1 均具有 RNA 介导的 DNA 核酸内切酶活性。目前，Cas9 和 Cpf1 蛋白作为基因组编辑工具被广泛应用，克服了传统基因编辑技术步骤繁琐、耗时长、效率低等缺点，以其较少的成分、便捷的操作以及较高的效率满足了大多数领域的基因编辑需求，并有着潜在且巨大的临床应用价值。, c' \8 F; o; ^  j' j) h
2015 年，一种全新的第二类 CRISPR-Cas 系统——Ⅵ 型系统被发现，该系统中的效应蛋白被命名为 C2c2。而后的研究进一步发现，Ⅵ 型 CRISPR-Cas 系统是一种新型靶向 RNA 的 CRISPR 系统，而 C2c2 是一种以 RNA 为导向靶向和降解 RNA 的核酸内切酶，有望被开发作为 RNA 研究的工具，扩展 CRISPR 系统在基因编辑方面的运用。  y6 _0 l& a6 a% H
王艳丽课题组通过深入的研究，解析了 C2c2 与 crRNA 的二元复合物的晶体结构以及 C2c2 蛋白的晶体结构，揭示了 C2c2 包含一个 crRNA 识别的叶片即 REC 叶片，和一个核酸酶叶片即 NUC 叶片。REC 叶片包含 NTD 结构域（N-terminal domain）和 Helical-1 结构域，NUC 叶片包含了两个 HEPN 结构域、Helical-2 结构域以及连接两个 HEPN 结构域的连接结构域。负责切割前体 crRNA 和靶标 RNA 的活性口袋分别位于 Helical-1 和 HEPN 结构域上。crRNA 的结合会引起 C2c2 蛋白的构象变化，这种变化很可能会稳定 crRNA 的结合，进而对识别靶标 RNA 起着重要作用。该研究通过结构和生化研究揭示了 C2c2 剪切 pre-crRNA 以及切割靶标 RNA 的分子机制，对认识细菌抵抗 RNA 病毒入侵的分子基础具有十分重要的意义。同时也为改造 CRISPR-C2c2 系统，为其在基因编辑领域的运用提供了强有力的结构基础，有助于加速对病毒感染引发的疾病的理解、治疗和预防。* Y; m* ~- }6 }) e
生物物理所研究员王艳丽为该文的通讯作者。王艳丽课题组博士后刘亮为该文的第一作者，该研究得到科技部、国家自然科学基金以及中科院战略性先导科技专项（B 类）的资助，上海同步辐射光源（SSRF）以及日本同步辐射光源 SPring-8 为该研究提供了重要的技术支持。+ k' |; E$ a' D3 o% \% @) Q8 L- ~