哈尔滨工业大学Nature发表CRISPR研究重要成果

　　

生物通报道   来自哈尔滨工业大学、清华大学的研究人员报告称，他们获得了Cpf1/CRISPR RNA复合物的晶体结构。这一重要的研究成果发布在4月20日的《自然》（Nature）杂志上。

领导这一研究的是哈尔滨工业大学生命科学与技术学院的黄志伟（Zhiwei Huang）教授。其主要研究方向为结构分子生物学与天然免疫信号转导。2011年当选教育部“新世纪优秀人才”。

2014年，黄志伟教授领导哈尔滨工业大学的研究人员与清华大学合作，揭示了HIV-1病毒的Vif调控蛋白如何结合到重要的宿主细胞配体和靶标上，最终除去感染细胞的限制因子的机制。这一重要的研究发现发表Nature杂志上，为设计出新型的抗HIV药物奠定了理论基础（哈尔滨工业大学Nature发表艾滋病研究重要成果 ）。

在将源自入侵物的DNA短片段（protospacer）整合到宿主基因组的CRISPR阵列中去之后，前体crRNAs表达及加工会生成成熟crRNAs。成熟crRNAs随后可以引导效应蛋白——大Cas蛋白（2类CRISPR系统）或Cas蛋白质复合物（1类CRISPR系统）靶向及切割携带互补序列的外源DNAs（或RNAs）。2类CRISPR系统的典型代表包括特征明确的CRISPR–Cas9。组合来自化脓性链球菌的Cas9(SpyCas9)及一条合成单向导RNA (sgRNA)，已被利用来作为一种两元件可编程系统实现对各种生物的遗传操控。

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在2015年发表于Cell杂志上的一项研究中，哈佛-麻省理工Broad研究所的张锋及其同事们报告称发现了一种不同的CRISPR系统：CRISPR–Cpf1，其有潜力实现更简单、更精确的基因组工程操作。他们描述了这一新系统一些出乎意外的生物学特征，证实可以操控它来编辑人类细胞基因组（张锋Cell：新一代CRISPR基因组编辑系统 ）。尽管在功能上保守，Cpf1与Cas9在许多方面都存在差异，包括它们的向导RNA及底物特异性（Cas9有了一个同班同学 ）。

在这篇Nature文章中，作者们报告称获得了结合CRISPR RNA (crRNA)的毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium) ND2006 Cpf1 (LbCpf1)的晶体结构，分辨率达到2.38埃（Å）。他们发现LbCpf1具有一种三角形体系结构，中心有一个大的正电荷通道。被LbCpf1的寡核苷酸结合结构域所识别，crRNA采用了一种高度扭曲的构象，广泛的分子内互作和(Mg(H2O)6)2+离子对这一构象起稳定作用。LbCpf1的寡核苷酸结合结构域还包含一个环凸(looped out)螺旋结构域，其对于LbCpf1底物结合至关重要。结合crRNA或缺乏向导序列的crRNA均可诱导LbCpf1显著的构象改变，但不能诱导LbCpf1低聚化。

新研究揭示出了crRNA的识别机制，提供了crRNA引导LbCpf1底物结合的一些新见解，为设计改造LbCpf1提高基因编辑的效率和特异性建立了一个框架。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The crystal structure of Cpf1 in complex with CRISPR RNA

The CRISPR–Cas systems, as exemplified by CRISPR–Cas9, are RNA-guided adaptive immune systems used by bacteria and archaea to defend against viral infection1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. The CRISPR–Cpf1 system, a new class 2 CRISPR–Cas system, mediates robust DNA interference in human cells1, 8, 9, 10. Although functionally conserved, Cpf1 and Cas9 differ in many aspects including their guide RNAs and substrate specificity……

作者简介：

黄志伟

哈尔滨工业大学结构分子生物研究方向学术带头人，博士，教授，博士生导师。2011年教育部“新世纪优秀人才”。2008年北京生命科学研究所（NIBS）和中国农业大学联合培养博士，2009到2012年哈佛大学免疫与感染疾病系Laurie H. Glimcher院士实验室博士后。

 2012年刚成立的结构分子生物学与天然免疫信号转导研究室的研究内容主要包括以下两个方面：一、免疫和神经生物学领域的重要生物大分子（可溶/膜蛋白和核酸）的结构和功能的关系。细胞表面受体犹如天线一样感知胞外信号并对之做出反应。研究室对参与重要细胞信号转导的膜上受体/配体复合物，以及参与免疫和神经信号转导的重要胞内蛋白（复合物）分子的结构与功能的关系进行研究。二、天然免疫系统激活的信号通路的研究；免疫细胞（如巨噬细胞）分化、活性调节的信号分子及其信号转导机制。除了上述结构生物学及信号通路方面的基础研究外，研究室也对在免疫及神经退行性疾病中起关键作用的可溶/膜蛋白（复合物）的结构进行解析，并利用这些结构信息理性设计小分子药物治疗上述疾病。

研究室采用整合的研究方法对感兴趣、且具有重要意义的课题进行研究，这一系列研究手段包括大分子X射线晶体学、生物化学、分子细胞生物学以及小鼠遗传学等。将结构与体内外功能研究密切结合，从分子、细胞以及个体水平等多个层次，以较全视野研究目标蛋白质（复合物）分子结构和功能，及其信号调控机制。我们的研究成果发表在Nature，Science，Cell Host & Microbe，Nature Structural & Molecular Biology，Journal of Clinical Investigation，Nature Cell Biology等杂志上。