作者:王艳丽等 来源:《细胞》 发布时间:2017/7/31 14:34:21
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CRISPR-Cas系统切割RNA研究获重要进展

 

7月27日,国际顶尖期刊《细胞》(Cell)杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所王艳丽组和章新政组在VI型CRISPR-Cas系统效应蛋白Cas13a(亦称C2c2)结构研究中取得的新进展。该研究成功解析了Leptotrichia buccalis (Lbu)细菌中Cas13a与crRNA (CRISPR-RNA)及其target RNA三元复合物3.08Å的晶体结构、Cas13a与crRNA二元复合物3.2Å的电镜结构。研究结果证实,target RNA的结合导致LbuCas13a的两个发挥RNA干扰功能的HEPN结构域发生构象变化,从而激发LbuCas13a非特异性地切割任意单链RNA的酶切活性。该成果为研究Cas13a发挥RNA酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。该研究是王艳丽课题组继今年1月于《细胞》首次报道Leptotrichia shahii(Lsh)细菌中Cas13a与crRNA二元复合物以及Cas13a自由状态下的晶体结构后的又一重大突破。
 
几乎所有的古菌和约50%的细菌都具有CRISPR-Cas系统,用以抵抗病毒和质粒的侵染。CRISPR-Cas系统分为两大类,Cas13a是第二大类VI型系统中的效应蛋白,具有RNA介导的RNA酶切活性,是目前第二大类CRISPR-Cas系统发现的唯一能够降解RNA的蛋白(Cas9, Cpf1, C2c1均是RNA介导的DNA核酸内切酶),对开发研究RNA工具,扩展CRISPR系统在基因编辑方面的运用具有重大价值。
 
在该研究中,研究人员利用X-ray晶体学的方法成功解析了LbuCas13a-crRNA-target RNA的三元复合物结构(3.08Å)。通过冷冻电镜技术,获得了3.2Å LbuCas13a-crRNA的二元复合物结构。结构显示,Cas13a具有REC和NUC两个叶片,其中NUC叶片包含两个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,两个HEPN结构域组成了Cas13a切割target RNA的活性区域。crRNA识别序列互补的目的RNA,并与之结合形成双链RNA并被NUC叶片包围。同时,双链RNA的形成引起crRNA和Cas13a蛋白的构象变化,促使两个HEPN结构域相互靠近,进而激活Cas13a蛋白。研究人员通过结构和功能研究证明,由crRNA和target RNA激活的Cas13a能切割任意单链的RNA。
 
该研究发现为CRISPR-Cas13a系统的进一步开发提供了可靠的结构基础,对深入理解细菌抵御病毒入侵的分子机制提供了强有力的证据,并将对病毒引起的疾病的预防、检测、控制与治疗产生重大意义,特别是基于Cas13a高效的RNA酶切活性,在应用于各类重大疾病的快速检测具有十分广阔的前景。
 
王艳丽和章新政为本文的共同通讯作者。王艳丽组的博士后刘亮、硕士研究生李雪岩、工作人员李宗强及章新政组的副研究员马军为本文的共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(B类)以及“国家青年千人项目”的资助,上海同步辐射光源(SSRF)、日本同步辐射光源SPring-8以及生物物理所生物成像中心为该研究提供了重要的技术支持。(来源:中国科学院生物物理研究所
 
 
 
LbuCas13a-crRNA-target RNA三元复合物的晶体结构
 

 

 
 
 
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