中科院学者发表Cell文章：新型CRISPR-Cas系统C2c2-RNA复合物结构

中科院生物物理研究所王艳丽课题组解析了Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中C2c2与crRNA (CRISPR-RNA) 的二元复合物以及C2c2在自由状态下的晶体结构，揭示了LshC2c2通过两个独立的活性结构域来发挥其两种不同的RNA酶切活性，这为研究C2c2发挥RNA酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。

　　

2017年1月12日，Cell 杂志发表了中科院生物物理研究所王艳丽课题组关于Ⅵ型CRISPR-Cas系统的效应蛋白C2c2的结构研究。标题为“Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities”。该研究解析了Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中C2c2与crRNA (CRISPR-RNA) 的二元复合物以及C2c2在自由状态下的晶体结构，揭示了LshC2c2通过两个独立的活性结构域来发挥其两种不同的RNA酶切活性，这为研究C2c2发挥RNA酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。

CRISPR/Cas系统是古菌和细菌的抵抗病毒和质粒侵染的重要免疫防御系统。CRISPR-Cas系统划分为两大类，第一大类CRISPR-Cas系统由多亚基组成的效应复合物发挥功能；第二大类是由单个效应蛋白（如Cas9, Cpf1, C2c1等）来发挥功能。其中，Cas9, Cpf1, C2c1均具有RNA介导的DNA核酸内切酶活性。目前，Cas9和Cpf1蛋白作为基因组编辑工具被广泛应用，克服了传统基因编辑技术步骤繁琐、耗时长、效率低等缺点，以其较少的成分、便捷的操作以及较高的效率满足了大多数领域的基因编辑需求，并有着潜在且巨大的临床应用价值。

2015年，一种全新的第二类CRISPR-Cas系统-Ⅵ型系统被发现，该系统中的效应蛋白被命名为C2c2。而后的研究进一步发现，Ⅵ型CRISPR-Cas系统是一种新型靶向RNA的CRISPR系统，而C2c2是一种以RNA为导向靶向和降解RNA的核酸内切酶，有望被开发作为RNA研究的工具，扩展CRISPR系统在基因编辑方面的运用。

王艳丽课题组通过深入的研究，解析了C2c2与crRNA的二元复合物的晶体结构以及C2c2蛋白的晶体结构，揭示了C2c2包含一个crRNA识别的叶片即REC叶片，和一个核酸酶叶片即NUC叶片。REC叶片包含NTD结构域（N-terminal domain）和Helical-1结构域，NUC叶片包含了两个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。负责切割前体crRNA和靶标 RNA的活性口袋分别位于Helical-1和HEPN结构域上。crRNA的结合会引起C2c2蛋白的构象变化，这种变化很可能会稳定crRNA的结合，进而对识别靶标RNA起着重要作用。该研究通过结构和生化研究揭示了C2c2剪切pre-crRNA以及切割靶标 RNA的分子机制，对认识细菌抵抗RNA病毒入侵的分子基础具有十分重要的意义。同时也为改造CRISPR-C2c2系统，为其在基因编辑领域的运用提供了强有力的结构基础，有助于加速对病毒感染引发的疾病的理解、治疗和预防。

中国科学院生物物理所王艳丽研究员为本文的通讯作者。王艳丽课题组的刘亮（博士后）为本文的第一作者，该研究得到科技部、国家自然科学基金以及中国科学院战略性先导科技专项（B类）的资助，上海同步辐射光源（SSRF）以及日本同步辐射光源SPring-8为该研究提供了重要的技术支持。

图注：LshC2c2-crRNA的二元复合物的晶体结构。

附：

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原文摘要：

Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities

C2c2, the effector of type VI CRISPR-Cas systems, has two RNase activities—one for cutting its RNA target and the other for processing the CRISPR RNA (crRNA). Here, we report the structures of Leptotrichia shahii C2c2 in its crRNA-free and crRNA-bound states. While C2c2 has a bilobed structure reminiscent of all other Class 2 effectors, it also exhibits different structural characteristics. It contains the REC lobe with a Helical-1 domain and the NUC lobe with two HEPN domains. The two RNase catalytic pockets responsible for cleaving pre-crRNA and target RNA are independently located on Helical-1 and HEPN domains, respectively. crRNA binding induces significant conformational changes that are likely to stabilize crRNA binding and facilitate target RNA recognition. These structures provide important insights into the molecular mechanism of dual RNase activities of C2c2 and establish a framework for its future engineering as a RNA editing tool.