Nature发现一种新的CRISPR机制！超越基因剪刀

CRISPR“基因剪刀”已成为生物学、医学、农业和工业等诸多领域基因组编辑技术的重要基础。来自德国维尔茨堡亥姆霍兹RNA感染研究所（HIRI）的研究团队近日证实，CRISPR-Cas系统的功能远超预期。该团队与德国布伦瑞克亥姆霍兹感染研究中心（HZI）和美国犹他州立大学（USU）合作，发现了一种新型的CRISPR防御机制：与已知的核酸酶不同，Cas12a3能够特异性地破坏对蛋白质合成至关重要的转移核糖核酸（tRNA），从而关闭受感染的细胞。该团队的研究成果已于今日发表在《自然》杂志上。

　　

细菌拥有多种机制来抵御病毒等入侵者。其中一种策略是切割转移核糖核酸（tRNA）。tRNA存在于所有细胞中，在信使RNA（mRNA）翻译成必需蛋白质的过程中发挥着至关重要的作用。tRNA的失活会限制蛋白质的合成，使受感染的细胞进入休眠状态。这样一来，攻击者就无法继续复制并在细菌群体中传播。
目前尚未发现与tRNA切割相关的常见细菌防御机制是CRISPR-Cas系统。CRISPR利用RNA引导的蛋白质，即Cas核酸酶（源自CRISPR - associated），根据入侵者的遗传物质识别并使其失活。一旦识别到病原体，这些核酸酶就会触发每个系统特有的免疫反应。例如，这包括切割外源DNA或通过广泛的RNA和DNA降解来阻止病原体的生长。人类已经以多种方式运用了这些机制，CRISPR 也被认为是基因组编辑技术的重要基础。然而，直到现在人们才知道，CRISPR-Cas 还会优先靶向 tRNA，作为免疫反应的一部分。

一项意想不到的发现

亥姆霍兹RNA感染研究所（HIRI）是布伦瑞克亥姆霍兹感染研究中心（HZI）的下属机构，该研究所与维尔茨堡大学（JMU）合作，并与HZI和犹他州立大学（USU）的科学家合作，发现了一种靶向tRNA的新型CRISPR机制。“这些发现完全出乎意料，我们的团队原本研究的是一种与名为Cas12a2的独特核酸酶相关的蛋白质，”HIRI相关部门负责人、该研究的通讯作者Chase Beisel说道。该研究成果于今日发表在《自然》杂志上。

在2023年1月发表于《自然》杂志的两项研究中，包括Beisel在内的研究团队描述了他们如何在专门切割DNA的核酸酶家族中发现了Cas12a2。与此不同的是，Cas12a2能够广泛切割RNA和DNA。

“我们假设这个蛋白质家族可能具有其他特殊功能。事实证明我们的假设是正确的：我们发现了具有独特特性的Cas12a3，”Beisel实验室的前博士后、近期发表于《自然》杂志的这项研究的第一作者Oleg Dmytrenko补充道。

完全相反

与 Cas12a2 类似，Cas12a3 也利用 RNA 引导序列识别外源 RNA 序列。然而，Cas12a3 在匹配成功后会改变自身形状，然后结合并切割 tRNA 的特定区域，即其尾部。“这种精确性使得 Cas12a3 与其最接近的同源物 Cas12a2 截然相反，后者虽然切割范围广，但并不具有特异性，”犹他州立大学教授、该研究的通讯作者 Ryan Jackson 表示。

所谓的3'尾是所有tRNA中最保守的部分。这意味着它在许多生物体中都保持不变。该区域对tRNA的功能和稳定性至关重要，因此在进化过程中几乎没有改变。一个活化的氨基酸（蛋白质的主要组成单元）附着在该区域上。在蛋白质翻译过程中，氨基酸从tRNA转移到正在延伸的多肽链上。因此，去除tRNA尾是阻断蛋白质合成的有效方法，而蛋白质合成对细胞至关重要。

研究团队利用亥姆霍兹研究中心（HZI）的冷冻电镜技术解析了Cas12a3的结构，揭示了该核酸酶如何识别tRNA：“我们识别出了一个独特的结构域，并将其命名为‘tRNA加载结构域’，”HZI部门负责人、论文共同通讯作者Dirk Heinz解释道。“它的作用是将tRNA的3'尾部精确定位到切割的正确位置，”Heinz实验室的博士后、论文第一作者Biao Yuan补充道。

研究人员直接利用了这种高精度：他们将Cas12a3与另外两种核酸酶结合使用，这两种核酸酶也能精确切割RNA，但分别针对不同的RNA。通过这种方式，研究团队能够同时检测三种不同病毒的RNA——流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）和SARS-CoV-2。“这不仅使我们能够拓展基于CRISPR的诊断技术的边界，我们的研究成果还有望为多种疾病开发经济高效且易于操作的即时检测方法铺平道路，”Beisel说道。

隐藏的多样性

tRNA尾部的切割代表了一种新的CRISPR免疫反应，并展示了细菌抵抗感染的多种方式。这项研究揭示了已知细菌防御机制中隐藏的巨大功能多样性，而这些多样性需要进一步研究。

研究团队已经规划好了接下来的步骤：“为了进一步探索这些变异情况，我们打算对 CRISPR 防御机制的这一小部分进行更深入的研究。”海因茨展望道。“此外，我们还计划将 Cas12a3 用作分子诊断及其他应用的技术。”Jackson总结道。