生物物理所揭示III型CRISPR-Cas系統免疫機制

11月29日，《細胞》（Cell）雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所王艷麗課題組和章新政課題組合作的研究論文「Structure Studies of the CRISPR-Csm Complex Reveal Mechanism of Co-transcriptional Interference」。該工作解析了不同狀態的III-A型CRISPR-Cas系統效應複合物Csm的結構，並結合體內和體外的功能實驗，系統地闡述了III型CRISPR-Cas系統抵禦外源核酸的分子機制。王艷麗課題組一直致力於CRISPR-Cas系統抗病毒作用機理的研究，前期研究揭示了CRISPR-Cas系統的重要作用機理(Nature 2014, Cell 2015, Cell Res. 2016, Cell 2017a, Cell 2017b, Mol. Cell 2017)，這也是王艷麗組和章新政組長期合作 (Cell Res 2016, Cell 2017b)取得的另一重要進展。

CRISPR-Cas系統是原核生物中廣泛存在的一種由RNA介導的獲得性免疫系統。其中，III型CRISPR-Cas系統是目前發現的所有CRISPR-Cas系統中最古老、最複雜的一類。III型CRISPR-Cas系統中的A亞型具有一個稱為Csm的效應複合物，它由多個Cas蛋白與crRNA共同組成。不同於其它CRISPR 效應複合物，Csm複合物不僅能夠切割與crRNA互補的目的RNA，而且目的RNA的結合可以激活Csm複合物產生兩種新的酶活性，即轉錄過程中的ssDNA的切割以及合成環狀寡聚腺苷酸（cOA）的活性。cOA作為第二信使可以激活Csm6，非特異性降解RNA。但是，目前III-A型CRISPR-Cas系統的Csm效應複合物組裝方式、識別「自我」與「非我」DNA，以及激活Csm1的DNA酶和腺苷酸環化酶的活性等分子機理仍不清楚。

該項研究報道了嗜熱鏈球菌（Streptococcus thermophilus）III-A型效應複合物Csm的高解析度晶體結構，以及Csm與不同類型的目的RNA及ATP的七種不同底物結合狀態的、近原子解析度的冷凍電鏡結構。研究表明Csm複合物由Csm1-5五種蛋白亞基和一條crRNA共同組成，並發現Csm複合物的組成將隨著crRNA的長度變化而發生變化，但是5種Csm蛋白的組成一直遵循Csm112n3n+14151的規律。該研究選取了3』互補以及非互補的目的RNA，發現目的RNA與crRNA在(-2)-(-5)位是否互補配對是激活Csm1切割ssDNA以及合成cOA的關鍵因素。而且，研究發現3』非互補的目的RNA的結合導致Csm1局部區域的構象變化，從而通過別構效應激活Csm1的DNA酶和腺苷酸環化酶的活性。該研究是CRISPR-Cas系統抗病毒機理的又一重大突破，進一步闡明多蛋白組成的效應複合物識別和切割外源核酸的分子機制，並為開發III型CRISPR系統作為應用工具打下重要的理論基礎。

王艷麗和章新政為該文的共同通訊作者。王艷麗組的尤李蘭(博士生)、王久宇（副研究員）及章新政組的馬軍（副研究員）為該文的共同第一作者，該研究得到科技部、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家「青年千人計劃」項目以及HHMI-Wellcome基金的資助，上海同步輻射光源、生物物理所生物成像中心和同位素實驗室為該研究提供了技術支持。

III-A型CRISPR-Cas系統中Csm複合物的結構生物學研究。A. Csm-cognate target RNA-AMPPNP複合物的電鏡結構。B. III-A型CRISPR-Cas系統抵禦外源核酸入侵的模式圖。

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