中国药科大学教授第一作者发表Science文章 解析关键CRISPR-Cas系统机制

【字体: 时间:2018年07月09日 来源:生物通

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  研究人员利用冷冻电镜获得了分辨率分别为3.7和4.7Å的pre-nicking和post-nicking状态下的Type I-E Cascade/R-loop/Cas3复合体的晶体结构。这对于解析CRISPR-Cas系统中RNA如何指导DNA进行降解提出了新观点。

  

来自康奈尔大学,哈佛医学院,中国药科大学的研究人员发表了题为“Structure basis for RNA-guided DNA degradation by Cascade and Cas3”的文章,利用冷冻电镜获得了分辨率分别为3.7和4.7Å的pre-nicking和post-nicking状态下的Type I-E Cascade/R-loop/Cas3复合体的晶体结构。这对于解析CRISPR-Cas系统中RNA如何指导DNA进行降解提出了新观点。

这一研究成果公布在Science杂志上,文章的通讯作者为康奈尔大学柯爱龙教授,和哈佛医学院廖茂富教授,中国药科大学药学院药理系肖易倍教授(入选第十四批“千人计划”青年项目)和哈佛医学院Min Luo博士为本文的共同第一作者。

CRIPR-Cas系统近年来成为基因编辑领域的最热门的研究方向。其中Ⅰ型CRISPR-Cas系统其最大的特点就是通过Cascade复合体和Cas3分别在双链DNA上连续的靶点搜索和降解的过程。

Cascade复合体对DNA靶点的搜索是由crRNA引导的,而Cas3是一个核酸酶-解旋酶融合酶可以对靶点DNA进行解螺旋和切割。研究人员利用冷冻电镜获得了分辨率分别为3.7和4.7Å的pre-nicking和post-nicking状态下的Type I-E Cascade/R-loop/Cas3复合体的晶体结构。

研究人员通过这两个晶体结构从而知道为何Cas3可以特异性识别R-loop形成的Cascade而不会发生脱靶,并且揭示了Cas3是如何从起始的nicking模式转变成为DNA降解模式。这对深入研究CRISPR-Cas系统的分子机制有着重要的意义。

此项工作通过冷冻电镜解析了Type I-E Cascade/R-loop/Cas3复合体的晶体结构,深入研究了Type I-E CRISPR-Cas系统中crRNA引导的DNA降解的具体生物学过程。

其它重要CRISPR结构研究成果:

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。

这项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。

超精准的CRISPR-Cas9——加州大学伯克利分校和麻省总医院的科学家已经确定了Cas9蛋白中的一个关键区域,这个区域控制了CRISPR-Cas9是否能在靶标DNA序列上准确定位,并扭转DNA,让其产生一种超精确的基因编辑器,达到迄今为止所能达到的最低脱靶率。

在最新这项研究中,这一研究组成员认为,主导DNA切割的一个主要调控因子的蛋白结构域是关键,通过改进它就能提高CRISPR编辑的准确度。这种方法可以帮助科学家们定制Cas9的变体:利用结合并切割DNA的蛋白,最大限度地减少CRISPR-Cas9在错误的地方编辑DNA的几率,这也是进行人体基因治疗时的一个关键考虑因素。

“我们发现,Cas9中REC3结构域上即使是细微的变化,都会造成脱靶和打靶编辑的区别,这表明这个结构域是可以进行深度诱变,从而提高靶向特异性的重要候选元件,”文章的第一作者之一,Jennifer Doudna实验室的研究生Janice Chen说。


原文标题:

Structure basis for RNA-guided DNA degradation by Cascade and Cas3





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