CRISPR大牛再发Nature子刊文章：破解RNA靶向CRISPR酶Cas13a的作用机制

　　

生物通报道：细菌可以利用CRISPR RNA（crRNA）指导部署酶复合物来识别和切割外源核酸，保护其不受到感染。近期针对这一过程取得了不少重要的成果，如哈佛医学院观察到了CRISPR复合物靶向目标DNA链，并准备通过Cas3酶切割DNA的全过程（I型CRISPR复合体作用机制）；中科院学者在Cell上发表的VI型CRISPR-Cas系统效应蛋白Cas13a（亦称C2c2）结构（CRISPR-Cas系统研究重大突破）等。

来自加州大学伯克利分校的研究人员在最新研究中报道了一个毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium) crRNA结合Cas13a (LbaCas13a)的晶体结构，分辨率为2.0Å，通过解析这一结构，研究人员描述了Cas13a酶如何产生功能性crRNAs，以及在靶标RNA识别之前，其催化活性如何被封闭，这将有助于解析细菌免疫系统，以及临床诊断治疗。

Jennifer A. Doudna教授（图片来自中科院）

这一研究成果公布在9月11日的Nature Structural & Molecular Biology杂志上，文章的通讯作者是基因组编辑技术变革的先驱之一Jennifer A. Doudna教授，她曾因这一技术获得了“生命科学突破奖”（ Breakthrough Prize）（欲戴王冠，必承其重：追寻CRISPR奥秘的女科学家 CRISPR发明专利究竟花落谁手？），Doudna带领的研究团队也取得了诸多令人侧目的CRISPR研究成果。

几乎所有的古菌和约50%的细菌都具有CRISPR-Cas系统，用以抵抗病毒和质粒的侵染。几年前，麻省理工的张锋研究组发现了自然存在的、具有基因组编辑潜力的三个新系统，他们将这些新蛋白暂时命名为C2c1、C2c2（现在称为Cas13a，也就是最新这项工作的重点）和C2c3，初期的实验工作探究了这些蛋白质的功能，揭示出它们与已充分确定特征、广泛用于基因组编辑的Cas9蛋白大不相同。

由此CRISPR-Cas系统被分为两大类，Cas13a是RNA靶向CRISPR酶，为第二大类VI型系统中的效应蛋白，具有RNA介导的RNA酶切活性，是目前第二大类CRISPR-Cas系统发现的唯一能够降解RNA的蛋白（Cas9, Cpf1, C2c1均是RNA介导的DNA核酸内切酶），它与DNA靶向CRISPR酶（如Cas9和Cpf1）不同是前者在切割其靶向RNA后可保持活性，而且可能表现出混杂行为（promiscuous behavior），继续切割其它非靶向RNA，这被张锋实验室称为“附属切割”（collateral cleavage，生物通译），研究这种酶对开发研究RNA工具，扩展CRISPR系统在基因编辑方面的运用具有重大价值。

这篇文章报道了一个毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium) crRNA结合Cas13a (LbaCas13a)的晶体结构，分辨率为2.0Å，这是最近发现的Cas13a酶亚型。研究人员通过结构分析，以及生化实验定义了直接负责crRNA突变的Cas13a催化残基，而且这种蛋白上外源靶向RNA特异性序列的发现也解释了Cas13a核酸酶活化的构象门控。

这些研究结果描述了Cas13a酶如何产生功能性crRNAs，以及在靶标RNA识别之前，其催化活性如何被封闭，这将有助于解析细菌免疫系统，以及临床诊断治疗。

7月，中科院学者报道的是另外一种细菌：Leptotrichia buccalis (Lbu)细菌中Cas13a与crRNA (CRISPR-RNA)及其target RNA三元复合物3.08Å的晶体结构，以及Cas13a与crRNA二元复合物3.2Å的电镜结构。

这项研究发现为CRISPR-Cas13a系统的进一步开发提供了可靠的结构基础，对深入理解细菌抵御病毒入侵的分子机制提供了强有力的证据，并将对病毒引起的疾病的预防、检测、控制与治疗产生重大意义，特别是基于Cas13a高效的RNA酶切活性，对其应用于各类重大疾病的快速检测具有十分广阔的前景。 　　

（生物通：万纹）

原文标题：

Guide-bound structures of an RNA-targeting A-cleaving CRISPR–Cas13a enzyme