《Cell》新一轮CRISPR工具开发作战之Type I-E型CRISPR/Cas系统工作细节

6月29日的《Cell》杂志报道，康奈尔大学和哈佛医学院的科学家们从原子分辨率显微镜图像中观察到了细菌抵御噬菌体的活动，通过CRISPR位点细菌DNA可被剪断和插入额外DNA序列。

　　

CRISPR的冷冻电镜复原图像。中间红色和橘黄色的是待检测的DNA，蓝色的是与之相对应的CRISPR RNA，该蛋白机器能识别目标DNA是否可被Cas3酶剪切。

生物通报道：生物学家利用CRISPR进行基因工程改造实验。然而，细胞进化出CRISPR的目的是用于防御——细胞利用CRISPR位置储存入侵者的分子记忆，以便在下次相遇时选择性地消灭它们。

“细菌免疫系统像我们人类的一样高效，只不过人类的免疫系统是在蛋白质水平进行侦查识别工作，而CRISPR则是在核酸水平，”分子生物学和遗传学教授Ailong Ke解释道。

细菌将入侵者的一点DNA插入基因组上的CRISPR位点。当细菌所储存的DNA被转录成RNA本（被称作引导RNA）时，便会与其他蛋白质复合物组合成Cascade（CRISPR相关抗病毒防御复合体）。这是一个极为高效且精确的系统，甚至可用于DNA的精确编辑。“CRISPR革命正在席卷整个生物圈，”Ke说。

Ke之前利用康奈尔高能同步辐射源的X-ray晶体结构学设备定义过这种蛋白质-RNA复合体的功能。Ke实验室的博后研究员Yibei Xiao负责记录整个免疫过程步骤。“下一步是捕捉这些步骤的结构快照，然后制作细菌进行这些步骤的高清视频，”Ke说。

Ke的同事、哈佛医学院细胞生物学助理教授Maofu Liao是利用低温电子显微镜测定大分子高分辨率结构的专家。样品是嗜热放线菌（Thermobifida fusca），研究人员制备了不同免疫反应阶段的细菌样品，Liao和他的博后研究员Min Luo冷冻这些样品，然后分别拍摄高清快照。

这项研究的主要焦点是一个名为Type I-E的CRISPR相关防御类型。“我们大致知道它是如何工作的，但是由于缺乏结构知识，就不清楚它的工作细节，”Ke说。“一张图远比一千个字有说服力。”

“科学家虽然假设了一些状态，但是这些假设一直缺乏视觉证据，”Luo说。“现在，我们终于眼见为实了。”

这项研究结果发表于6月29日的《Cell》杂志，为改善生物医学CRISPR操作的效率和准确性，特别是CRISPR的意外脱靶效应，提供了结构数据支持。

“为了解决特定问题，我们需要了解CRISPR复杂结构的每一步工作原理，”Liao说。

“若将CRISPR应用于人类医疗，我们必须确保系统远离非靶标基因，”Ke说。“我们的观点是Type I系统比CRISPR-Cas9系统更加准确，因为它在行动之前会检查一个更长的序列，并且该系统的工作步骤包括目标搜索和降解两个步骤，两步之间还内置了安全功能。”

目前为止，Type I CRISPR作为精密基因编辑工具的能力依然有限，但是未来它很可能是一种对抗耐药细菌的理想工具。

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原文标题：Structure Basis for Directional R-loop Formation and Substrate Handover Mechanisms in Type I CRISPR-Cas System