CRISPR女神又1篇Science！論文「主角」上周還登上了Nature

生物探索

編者按

作為CRISPR領域的「大神」之一，加州大學伯克利分校的Jennifer A. Doudna教授每年都會出很多新成果。本月，繼在《科學》子刊發表了關於降低「脫靶效應」的論文後，她的研究組又出了一篇Science，而這篇論文的「主角」上周還登上了Nature。

Jennifer A. Doudna教授（圖片來源：網路）

上周剛剛在《科學》子刊上發表了新成果的CRISPR先驅Jennifer A. Doudna教授本周又有1篇Science論文出爐。7月20日發表的這篇題為「Structures of the CRISPR genome integration complex」的研究揭秘了CRISPR蛋白是如何找到它們的目標的。

具體來說，加州大學伯克利分校的研究人員發現了Cas1-Cas2（與細菌中CRISPR免疫系統能力有關的蛋白質）是如何適應新的病毒感染，並鑒定出了它們在基因組中插入病毒DNA的位置。研究證實，Cas1-Cas2對插入位點的識別並不是依賴序列，而是依賴結構。

圖片來源：NIH視頻

值得一提的是，Cas1-Cas2最近剛被用於在細菌基因組的CRISPR區域編碼了一部電影。相關成果於7月12日以「CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria」為題發表在了Nature雜誌上。哈佛大學遺傳學大牛George M. Church是這一研究的通訊作者。（詳細報道：Nature：首次！「小電影」被科學家刻進了活細菌的DNA）

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結構解析：第三蛋白讓DNA彎曲成U型

在這項新研究中，科學家們發現，Cas1-Cas2依賴獨特的CRISPR DNA靈活性來識別病毒DNA應該被插入的位點，從而確保先前病毒感染的「記憶」被正確存儲。

藉助電子顯微鏡和X射線晶體學，研究者們捕捉到了病毒DNA插入到CRISPR區域時Cas1-Cas2的結構。

這種結構揭示出，一種稱為IHF的第三蛋白（third protein）結合在插入位點附近，將DNA彎曲成U型，從而使Cas1-Cas2可以同時綁定兩個識別位點。研究發現，這種反應需要目標DNA彎曲並部分解開，並且這隻會在正確的目標DNA上發生。

A protein called IHF (blue) creates a sharp turn in the DNA (red helix) upstream of the CRISPR repeat (brown helix), allowing Cas1-Cas2 (green and yellow) to recognize and bind the insertion site. (Addison Wright image)

（圖片來源：加州大學伯克利分校）

CRISPR系統是細菌的免疫系統，可以讓細菌適應並抵禦病毒感染。CRISPR，即「成簇規律間隔的短迴文重複」（ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），是DNA中的獨特區域。病毒DNA片段被儲存在這一區域，使得細菌細胞能夠識別任何試圖再度感染的病毒。病毒DNA與「短迴文重複」交替出現。這可以作為一種識別信號，指引Cas1-Cas2添加新的病毒序列。

該研究的共同第一作者Addison V. Wright說：「Cas1-Cas2對這些重複（repeats）的特異性識別對將病毒DNA整合到CRISPR陣列中起到了限制作用。這將避免將病毒DNA插入錯誤的位置帶來的潛在致命影響。」

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特殊識別：不依賴序列，依賴結構

雖然很多DNA結合蛋白（DNA-binding protein）是直接「讀取」它們識別序列的核苷酸，但Cas1-Cas2是通過更加間接的方式來識別CRISPR重複（CRISPR repeat）：它的形狀和靈活性。除了編碼蛋白質外，一段DNA的核苷酸序列也決定了分子的物理性質，其中，一些序列表現為靈活的鉸鏈，另一些則形成了剛性桿（rigid rods）。

CRISPR重複的序列使得它能夠以恰好正確的方式彎曲，從而被Cas1-Cas2綁定。這種現象也使得Cas1-Cas2能夠通過形狀來識別它們的目標。

Wight在接受GEN採訪時說：「Cas1-Cas2最明顯的功能利用了它們的進化角色，即作為一種信息存儲設備。正如George Church最近的成果所展示的那樣（註：即本文第3段提到的那篇Nature）。在我們的研究中，我們發現Cas1-Cas2的識別更多的依賴於結構，而不是直接的序列識別。這對於改變Cas1-Cas2的用途具有相當重要的影響。」

作為CRISPR技術的先驅，Jennifer A. Doudna教授每年都會發表大量的科研成果。除這篇Science外，本月12日，她帶領的研究小組還在Science Advances雜誌上發表了關於脫靶效應的最新成果（論文題目：Disabling Cas9 by an anti-CRISPR DNA mimic）。研究發現，CRISPR「關閉開關」AcrIIA4能夠降低Cas9編輯人類細胞基因組的脫靶效應。

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參考資料：1）Researchers discover how CRISPR proteins find their target

2）CRISPR Structure Data Reveals How Cas Enzymes Choose Target

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