中科院王艳丽 Cell：新型 CRISPR-Cas 系统 C2c2-RNA 复合物结构

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中科院王艳丽 Cell：新型 CRISPR-Cas 系统 C2c2-RNA 复合物结构6 M$ v5 U  Y6 G9 I/ G, A
来源:中科院生物物理研究所 / 作者: / 2017-01-16
/ K" p  j& E* F2017 年 1 月 12 日，Cell 杂志发表了中科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。, E/ q* k7 I5 D
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。
) h- |' C% c6 Q9 o* b. u2015 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。# i' e! Q, z# k! _3 R
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。
; P5 H6 h: X8 r2 u3 s" C中国科学院生物物理所王艳丽研究员为本文的通讯作者。王艳丽课题组的刘亮（博士后）为本文的第一作者，该研究得到科技部、国家自然科学基金以及中国科学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。
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图注：LshC2c2-crRNA 的二元复合物的晶体结构。
% Y; D- n$ A: o( q论文原文：Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities
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