生物物理所在CRISPR-Cas系统切割RNA研究中获重要进展

摘要: 　　7月27日，国际顶尖期刊细胞（Cell）杂志在线发表了中国科学院生物物理学习所王艳丽组和章新政组在VI型CRISPR-Cas系统效应蛋白Cas13a（亦称C2c2）结构学习中取得的新进展。该学习成功解析了Leptotrichia buccalis ...

　　7月27日，国际顶尖期刊细胞（Cell）杂志在线发表了中国科学院生物物理学习所王艳丽组和章新政组在VI型CRISPR-Cas系统效应蛋白Cas13a（亦称C2c2）结构学习中取得的新进展。该学习成功解析了Leptotrichia buccalis (Lbu)细菌中Cas13a与crRNA (CRISPR-RNA)及其target RNA三元复合物3.08Å的晶体结构、Cas13a与crRNA二元复合物3.2Å的电镜结构。学习结果证实，target RNA的结合导致LbuCas13a的两个发挥RNA干扰功能的HEPN结构域发生构象变化，从而激发LbuCas13a非特异性地切割任意单链RNA的酶切活性。该成果为学习Cas13a发挥RNA酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。该学习是王艳丽课题组继今年1月于细胞首次报道Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中Cas13a与crRNA二元复合物以及Cas13a自由状态下的晶体结构后的又一重大突破。
　　几乎所有的古菌和约50%的细菌都具有CRISPR-Cas系统，用以抵抗病毒和质粒的侵染。CRISPR-Cas系统分为两大类，Cas13a是第二大类VI型系统中的效应蛋白，具有RNA介导的RNA酶切活性，是目前第二大类CRISPR-Cas系统发现的唯一能够降解RNA的蛋白（Cas9， Cpf1， C2c1均是RNA介导的DNA核酸内切酶），对开发学习RNA工具，扩展CRISPR系统在基因编辑方面的运用具有重大价值。
　　在该学习中，学习人员利用X-ray晶体学的方法成功解析了LbuCas13a-crRNA-target RNA的三元复合物结构（3.08Å）。通过冷冻电镜技术，获得了3.2Å LbuCas13a-crRNA的二元复合物结构。结构显示，Cas13a具有REC和NUC两个叶片，其中NUC叶片包含两个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，两个HEPN结构域组成了Cas13a切割target RNA的活性区域。crRNA识别序列互补的目的RNA，并与之结合形成双链RNA并被NUC叶片包围。同时，双链RNA的形成引起crRNA和Cas13a蛋白的构象变化，促使两个HEPN结构域相互靠近，进而激活Cas13a蛋白。学习人员通过结构和功能学习证明，由crRNA和target RNA激活的Cas13a能切割任意单链的RNA。
　　该学习发现为CRISPR-Cas13a系统的进一步开发提供了可靠的结构基础，对深入理解细菌抵御病毒入侵的分子机制提供了强有力的证据，并将对病毒引起的疾病的预防、检测、控制与治疗产生重大意义，特别是基于Cas13a高效的RNA酶切活性，在应用于各类重大疾病的快速检测具有十分广阔的前景。
　　王艳丽和章新政为本文的共同通讯作者。王艳丽组的博士后刘亮、硕士学习生李雪岩、工作人员李宗强及章新政组的副学习员马军为本文的共同第一作者。该学习得到科技部、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）以及“国家青年千人项目”的资助，上海同步辐射光源（SSRF）、日本同步辐射光源SPring-8以及生物物理所生物成像中心为该学习提供了重要的技术支持。