Science：CRISPR出人意料的作用机制

　　

生物通报道：细菌摧毁入侵病毒的能力一直令科学家们迷惑不解。日前，Johns Hopkins大学的研究人员对细菌免疫系统进行了深入研究，揭开了它们快速识别入侵者的秘诀。

细菌一直在与病毒或入侵核酸进行斗争，为此它们演化出了多种防御机制，CRISPR适应性免疫系统就是其中之一。CRISPR系统由小RNA分子引导，可以靶标和沉默入侵者的遗传信息。

发现CRISPR系统后不久，人们就开始用它来编辑DNA和修复受损的基因。这种基因组编辑技术更易于操作，也具有更强的扩展性，很快便引起了人们极大的研究热情。之前曾有研究者曾利用CRISPR系统，从感染了HIV的人类细胞中切除病毒DNA。

监控复合物Cascade（CRISPR-associated complex for antiviral defense）是CRISPR系统中的一个关键组分，也是细菌细胞的重要守卫。Cascade通过RNA扫描噬菌体DNA，确定它是否来自于入侵者。一旦认定外源DNA，细胞就会发动攻击将其粉碎。Cascade由11种蛋白组成的，只有所有部分都正常运转，才能发挥自己的正常功能。

研究人员在Cascade与其靶标（ssDNA）结合时进行结晶，并通过高能X射线解析了复合体的精密结构。他们发现Cascade具有一个非常独特的绳梯结构，这一发现于八月十四日发表在Science杂志上。

“结构可以帮助我们了解分子机器的作用机制，”这项研究的领导者，副教授Scott Bailey说。“这项研究为人们展示了一个前所未见的独特结构，而这种结构就是Cascade成功的秘诀。”

研究人员发现，Cascade中的RNA和DNA并没有彼此缠绕形成双螺旋，而是相互平行组成了一个绳梯。Bailey指出，如果Cascade RNA与DNA相互缠绕，那么在检查下一个DNA时就需要打开缠绕，无形中延长了抵御感染的时间。而梯子结构允许RNA快速扫描DNA。

研究显示，RNA扫描DNA的方式，就像人们利用关键词进行快速浏览。它们将长序列分成小段（就像段落与词句），以便快速发现问题。

这项研究为人们进一步解析了Cascade的作用机制，这样的信息可以帮助人们更好地使用CRISPR工具进行DNA编辑甚至治疗疾病。（延伸阅读：南开大学陈凌懿教授发表CRISPR新成果）

此外，这项研究也为理解细菌耐药性的产生提供了线索。许多致病菌都能对抗生素药物产生抗性，WHO已经将这一问题视为全球公共健康面临的主要威胁。

 

生物通编辑：叶予

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Crystal structure of a CRISPR RNA-guided surveillance complex bound to a ssDNA target