Science：解密CRISPR分子机制

　　

生物通报道：来自美国蒙大拿州立大学，英国剑桥大学等处的研究人员发表了题为“Crystal structure of the CRISPR RNA–guided surveillance complex from Escherichia coli”的文章，通过解析一种CRISPR RNA导向监督复合物结构，揭示了CRISPR的组装分子机制，同时也为进一步了解靶标识别机制提供了新的信息。

这一研究成果公布在8月8日Science杂志在线版上。

CRISPR (clustered regularly interspersed short palindromic repeats)/Cas是源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统，它可利用靶位点特异性的RNA指导Cas蛋白对靶位点序列进行修饰。自2013年以来，CRISPR/Cas系统已经成功应用于人类、小鼠、斑马鱼、家蚕、果蝇、酵母、拟南芥及水稻等多个物种中。

这篇最新文章的通讯作者是蒙大拿州立大学生物化学家Blake Wiedenheft，他就曾表示，“我还没有发现在哪个领域内，有哪种技术能够像 CRISPR技术这样发展得如此迅猛。”

确实目前这一研究领域获得了许多重要的成果，但是对于CRISPR这种本身用于对抗病毒和质粒的免疫系统成员来说，其基本的作用机制还尚不是十分清楚。

在大肠杆菌中，短小的CRISPR-RNAs（crRNAs）能组装成一个分子量为405 kD的，多亚基监控复合物——Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defense)，为了进一步了解其作用机制，这项研究的研究人员对这一复合物进行了深入分析，获得了分辨率为3.24 Å的X射线晶体结构。

微生物染色体上的CRISPR位点由重复元件和间隔元件组成。每个重复和间隔元件包含30到60个核苷酸碱基对序列。40%的细菌和90%的太古菌基因组序列均存在CRISPR位点。一个细菌通常含有几个CRISPR位点，每个位点是由4到100个CRISPR重复-间隔单位组成。

最新发现的这一结构显示，Cascade是由11个蛋白，和一个61核苷酸长的crRNA 组装而成，形成一个海马形的体系结构，从而能结合到双链DNA靶标（与crRNA导向序列互补）。crRNA的3’和5’端保守序列能通过复合物两端蛋白进行锚定，而导向序列则沿着一条由6个交织在一起的亚基组装而成的螺旋体结构出现。

这种Cascade的结构揭示了CRISPR的一种作用分子机制，同时也为进一步了解靶标识别机制提供了新的信息。

Wiedenheft研究组此前还曾分析了CRISPR编码小RNA分子是如何生成的作用机制，他们指出细菌识别侵入的病毒或质粒，将外源DNA小片段插入它的CRISPR位点成为新的间隔序列。CRISPR单位被转录成crRNA前体。Csy4酶对crRNA前体每个重复元件进行切割生成长度为60个核苷酸的crRNAs，其中包含与外源DNA相匹配的序列。Cas蛋白利用crRNA结合这些匹配序列，沉默入侵的病毒或质粒。

这一模型解释了CRISPR特异性核糖核酸内切酶超家族序列和结构特异性作用机制。（生物通：万纹）

原文标题：

Crystal structure of the CRISPR RNA–guided surveillance complex from Escherichia coli