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生物物理所在CRISPR-Cas系統(tǒng)切割RNA研究中獲重要進展

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生物物理所在CRISPR-Cas系統(tǒng)切割RNA研究中獲重要進展

摘要: 　　7月27日，國際頂尖期刊細胞（Cell）雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理學(xué)習(xí)所王艷麗組和章新政組在VI型CRISPR-Cas系統(tǒng)效應(yīng)蛋白Cas13a（亦稱C2c2）結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中取得的新進展。該學(xué)習(xí)成功解析了Leptotrichia buccalis ...

　　7月27日，國際頂尖期刊細胞（Cell）雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院生物物理學(xué)習(xí)所王艷麗組和章新政組在VI型CRISPR-Cas系統(tǒng)效應(yīng)蛋白Cas13a（亦稱C2c2）結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)中取得的新進展。該學(xué)習(xí)成功解析了Leptotrichia buccalis (Lbu)細菌中Cas13a與crRNA (CRISPR-RNA)及其target RNA三元復(fù)合物3.08Å的晶體結(jié)構(gòu)、Cas13a與crRNA二元復(fù)合物3.2Å的電鏡結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)結(jié)果證實，target RNA的結(jié)合導(dǎo)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。該成果為學(xué)習(xí)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(xué)基礎(chǔ)。該學(xué)習(xí)是王艷麗課題組繼今年1月于細胞首次報道Leptotrichia shahii（Lsh）細菌中Cas13a與crRNA二元復(fù)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%的細菌都具有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是第二大類VI型系統(tǒng)中的效應(yīng)蛋白，具有RNA介導(dǎo)的RNA酶切活性，是目前第二大類CRISPR-Cas系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的唯一能夠降解RNA的蛋白（Cas9， Cpf1， C2c1均是RNA介導(dǎo)的DNA核酸內(nèi)切酶），對開發(fā)學(xué)習(xí)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。
　　在該學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)人員利用X-ray晶體學(xué)的方法成功解析了LbuCas13a-crRNA-target RNA的三元復(fù)合物結(jié)構(gòu)（3.08Å）。通過冷凍電鏡技術(shù)，獲得了3.2Å LbuCas13a-crRNA的二元復(fù)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。學(xué)習(xí)人員通過結(jié)構(gòu)和功能學(xué)習(xí)證明，由crRNA和target RNA激活的Cas13a能切割任意單鏈的RNA。
　　該學(xué)習(xí)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(chǔ)，對深入理解細菌抵御病毒入侵的分子機制提供了強有力的證據(jù)，并將對病毒引起的疾病的預(yù)防、檢測、控制與治療產(chǎn)生重大意義，特別是基于Cas13a高效的RNA酶切活性，在應(yīng)用于各類重大疾病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、碩士學(xué)習(xí)生李雪巖、工作人員李宗強及章新政組的副學(xué)習(xí)員馬軍為本文的共同第一作者。該學(xué)習(xí)得到科技部、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)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學(xué)習(xí)提供了重要的技術(shù)支持。



　　LbuCas13a-crRNA-target RNA三元復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)

生物物理所在CRISPR-Cas系統(tǒng)切割RNA研究中獲重要進展  |  責(zé)任編輯：蟲子
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