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Cell:CRISPR-Cas系統(tǒng)切割RNA研究中獲重要進展
7月27日,國際**期刊《細胞》(Cell)雜志在線發(fā)表了中國科學院生物物理研究所王艷麗組和章新政組在VI型CRISPR-Cas系統(tǒng)效應蛋白Cas13a(亦稱C2c2)結(jié)構(gòu)研究中取得的新進展。該研究成功解析了Leptotrichia buccalis (Lbu)**中Cas13a與crRNA (CRISPR-RNA)及其target RNA三元復合物3.08?的晶體結(jié)構(gòu)、Cas13a與crRNA二元復合物3.2?的電鏡結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果證實,target RNA的結(jié)合導致LbuCas13a的兩個發(fā)揮RNA干擾功能的HEPN結(jié)構(gòu)域發(fā)生構(gòu)象變化,從而激發(fā)LbuCas13a非特異性地切割任意單鏈RNA的酶切活性。該成果為研究Cas13a發(fā)揮RNA酶活性的分子機制提供了重要的結(jié)構(gòu)生物學基礎。該研究是王艷麗課題組繼今年1月于《細胞》**報道Leptotrichia shahii(Lsh)**中Cas13a與crRNA二元復合物以及Cas13a自由狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)后的又一重大突破。
幾乎所有的古菌和約50%的**都具有CRISPR-Cas系統(tǒng),用以抵抗病毒和質(zhì)粒的侵染。CRISPR-Cas系統(tǒng)分為兩大類,Cas13a是**大類VI型系統(tǒng)中的效應蛋白,具有RNA介導的RNA酶切活性,是目前**大類CRISPR-Cas系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的**能夠降解RNA的蛋白(Cas9, Cpf1, C2c1均是RNA介導的DNA核酸內(nèi)切酶),對開發(fā)研究RNA工具,擴展CRISPR系統(tǒng)在基因編輯方面的運用具有重大價值。
在該研究中,研究人員利用X-ray晶體學的方法成功解析了LbuCas13a-crRNA-target RNA的三元復合物結(jié)構(gòu)(3.08?)。通過冷凍電鏡技術(shù),獲得了3.2? LbuCas13a-crRNA的二元復合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示,Cas13a具有REC和NUC兩個葉片,其中NUC葉片包含兩個HEPN結(jié)構(gòu)域、Helical-2結(jié)構(gòu)域以及連接兩個HEPN結(jié)構(gòu)域的連接結(jié)構(gòu)域,兩個HEPN結(jié)構(gòu)域組成了Cas13a切割target RNA的活性區(qū)域。crRNA識別序列互補的目的RNA,并與之結(jié)合形成雙鏈RNA并被NUC葉片包圍。同時,雙鏈RNA的形成引起crRNA和Cas13a蛋白的構(gòu)象變化,促使兩個HEPN結(jié)構(gòu)域相互靠近,進而激活Cas13a蛋白。研究人員通過結(jié)構(gòu)和功能研究證明,由crRNA和target RNA激活的Cas13a能切割任意單鏈的RNA。
該研究發(fā)現(xiàn)為CRISPR-Cas13a系統(tǒng)的進一步開發(fā)提供了可靠的結(jié)構(gòu)基礎,對深入理解**抵御病毒入侵的分子機制提供了強有力的證據(jù),并將對病毒引起的**的預防、檢測、控制與**產(chǎn)生重大意義,特別是基于Cas13a高效的RNA酶切活性,在應用于各類重大**的快速檢測具有十分廣闊的前景。
王艷麗和章新政為本文的共同通訊作者。王艷麗組的博士后劉亮、碩士研究生李雪巖、工作人員李宗強及章新政組的副研究員馬軍為本文的共同**作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)以及“國家青年千人項目”的資助,上海同步輻射光源(SSRF)、日本同步輻射光源SPring-8以及生物物理所生物成像中心為該研究提供了重要的技術(shù)支持。
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