中国学者最新Cell文章:III型CRISPR-Cas系统免疫机制

【字体: 时间:2018年12月03日 来源:中科院

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  CRISPR-Cas系统是原核生物中广泛存在的一种由RNA介导的获得性免疫系统。其中,III型CRISPR-Cas系统是目前发现的所有CRISPR-Cas系统中最古老、最复杂的一类。

  

CRISPR-Cas系统是原核生物中广泛存在的一种由RNA介导的获得性免疫系统。其中,III型CRISPR-Cas系统是目前发现的所有CRISPR-Cas系统中最古老、最复杂的一类。

III型CRISPR-Cas系统中的A亚型具有一个称为Csm的效应复合物,它由多个Cas蛋白与crRNA共同组成。不同于其它CRISPR 效应复合物,Csm复合物不仅能够切割与crRNA互补的目的RNA,而且目的RNA的结合可以激活Csm复合物产生两种新的酶活性,即转录过程中的ssDNA的切割以及合成环状寡聚腺苷酸(cOA)的活性。cOA作为第二信使可以激活Csm6,非特异性降解RNA。但是,目前III-A型CRISPR-Cas系统的Csm效应复合物组装方式、识别“自我”与“非我”DNA,以及激活Csm1的DNA酶和腺苷酸环化酶的活性等分子机理仍不清楚。

来自中科院生物物理研究的研究人员发表了题为“Structure Studies of the CRISPR-Csm Complex Reveal Mechanism of Co-transcriptional Interference”的文章,解析了不同状态的III-A型CRISPR-Cas系统效应复合物Csm的结构,并结合体内和体外的功能实验,系统地阐述了III型CRISPR-Cas系统抵御外源核酸的分子机制。

这一研究成果公布在11月29日的Cell杂志上,文章由中国科学院生物物理所王艳丽研究员和章新政研究员合作完成,王艳丽课题组一直致力于CRISPR-Cas系统抗病毒作用机理的研究,前期研究揭示了重要作的CRISPR-Cas系统作机理(Nature 2014, Cell 2015, Cell Res. 2016, Cell 2017a, Cell 2017b, Mol. Cell 2017);这也是王艳丽组和章新政组长期合作 (Cell Res 2016, Cell 2017b),取得的另一重大突破。

最新研究报道了嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)III-A型效应复合物Csm的高分辨率晶体结构,以及Csm与不同类型的目的RNA及ATP的七种不同底物结合状态的、近原子分辨率的冷冻电镜结构。


III-A型CRISPR-Cas系统中Csm复合物的结构生物学研究。
A. Csm-cognate target RNA-AMPPNP复合物的电镜结构。
B. III-A型CRISPR-Cas系统抵御外源核酸入侵的模式图

研究表明Csm复合物由Csm1-5五种蛋白亚基和一条crRNA共同组成,并发现Csm复合物的组成将随着crRNA的长度变化而发生变化,但是5种Csm蛋白的组成一直遵循Csm112n3n+14151的规律。该研究选取了3’互补以及非互补的目的RNA,发现目的RNA与crRNA在(-2)-(-5)位是否互补配对是激活Csm1切割ssDNA以及合成cOA的关键因素。

而且,研究发现3’非互补的目的RNA的结合导致Csm1局部区域的构象变化,从而通过别构效应激活Csm1的DNA酶和腺苷酸环化酶的活性。

这项研究是CRISPR-Cas系统抗病毒机理的又一重大突破,进一步阐明多蛋白组成的效应复合物识别和切割外源核酸的分子机制,并为开发III型CRISPR系统作为应用工具打下重要的理论基础。

原文标题:

Structure Studies of the CRISPR-Csm Complex Reveal Mechanism of Co-transcriptional Interference

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31451-X#


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