Cell：重磅！揭示抗CRISPR蛋白阻斷CRISPR系統機制

來源：生物谷

想像一下細菌和病毒一直處于軍備競賽之中。對很多細菌而言，一種抵抗病毒感染的防禦線是一種複雜的RNA引導的「免疫系統」，即CRISPR-Cas。這個免疫系統的核心是一種識別病毒DNA和觸發它破壞的監視複合物。然而，病毒能夠反擊，利用抗CRISPR蛋白讓這種監視複合物不能夠發揮功能。但是，在此之前，沒有人準確地知道這些抗CRISPR蛋白如何發揮作用。

如今，來自美國國家過敏症與傳染病研究所、斯克里普斯研究所、蒙大拿州立大學、加州大學舊金山分校和加拿大多倫多大學的研究人員首次解析出病毒抗CRISPR蛋白附著到一種細菌CRISPR監視複合物上時的結構。他們發現抗CRISPR蛋白的作用機制是封鎖CRISPR識別和攻擊病毒基因組的能力。一種抗CRISPR蛋白甚至「模擬」DNA，讓這種crRNA（CRISPR經轉錄產生的RNA）引導的檢測機器脫軌。相關研究結果發表在2017年3月23日的Cell期刊上，論文標題為「Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex」。論文通信作者為來自斯克里普斯研究所的Gabriel C. Lander和來自蒙大拿州立大學的Blake Wiedenheft。

如果說CRISPR複合物聽起來很熟悉，那是因為它們是新一波基因組編輯技術的最前沿。CRISPR是規律間隔性成簇短迴文重複序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeat）的簡稱，Cas是CRISPR相關蛋白的簡稱。科學家們已發現他們能夠利用CRISPR降解病毒RNA的天然能力，並且使用CRISPR系統從幾乎任何一種有機體中移除不想要的基因。

Lander說，「儘管CRISPR-Cas9是遠近聞名的CRISPR系統，但是存在19種不同類型的CRISPR系統。每種CRISPR系統可能具有獨特的優勢用於基因工程。它們是巨大的未開發資源。我們更多地了解這些系統的結構，我們就能夠更多地利用它們作為基因組編輯工具。」

利用一種被稱作冷凍電鏡的高解析度成像技術，這些研究人員發現了CRISPR系統和抗CRISPR蛋白的三個重要的方面。

首先，他們準確地觀察這種CRISPR監視複合物如何識別病毒遺傳物質以便發現它應當在何處發起攻擊。這種監視複合物中的蛋白像握手那樣纏繞在細菌crRNA的周圍，讓這種crRNA的特定片段暴露出來。這種特定片段掃描病毒DNA，尋找它們能夠識別的基因序列。

Lander說，「這種系統能夠快速地讀取非常長的DNA序列，並且準確地找到它的靶位點。」如果這種CRISPR系統識別出一種病毒DNA靶標，那麼這種監視機器招募其他的分子來摧毀這種病毒的基因組。

再者，這些研究人員分析了病毒抗CRISPR蛋白如何癱瘓這種監視複合物。他們發現一種抗CRISPR蛋白覆蓋住crRNA的這個暴露片段，從而阻止這種CRISPR系統掃描病毒DNA。

Lander解釋道，「這些抗CRISPR蛋白阻止細菌識別病毒DNA。」他認為這些抗CRISPR蛋白是「非常機智的」，這是因為它們似乎經過進化，靶向這種CRISPR系統的一個至關重要的部分。如果細菌讓這種CRISPR系統發生突變來避免病毒攻擊，那麼這種系統將會不再發揮功能。他說，「CRISPR系統在不用完全改變它用來識病毒DNA的機制的情形下，就不能夠逃避這些抗CRISPR蛋白的作用。」

另一種抗CRISPR蛋白採用一種不同的策略。基於這種抗CRISPR蛋白的結合位置和負電荷，這些研究人員認為它起著模擬DNA的作用，誘導CRISPR結合這種抗CRISPR蛋白，而不是入侵的病毒DNA。

Lander說，「這些發現是比較重要的，這是因為我們已知道抗CRISPR蛋白阻斷細菌的防禦，我們並不曾知道這是如何實現的。」

這些研究人員認為這種對抗CRISPR蛋白的新認識可能最終導致人們開發出更加複雜的和更加高效的基因編輯工具。抗CRISPR蛋白可能能夠被用於CRISPR系統之中來迅速阻斷基因編輯，或者科學家們可能能夠降解抗CRISPR蛋白來觸發基因編輯。Lander說，「它們可能作為CRISPR系統的一種啟動-關閉開關發揮作用。」(生物易構 | 更人性的生物化學試劑採購平台 -www.bioeg.cn-)

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