Cell:CRISPR“关闭开关”如何起作用
2017/03/30
直到现在人们才知道CRISPR“关闭开关”是如何起作用的。3月23日的Cell上报道了Scripps研究所领导的研究小组第一次解决了病毒的anti-CRISPR蛋白和细菌的CRISPR复合物结合的结构,准确地揭示了病毒如何让细菌防御系统失效。


对于许多细菌来说,一线防御病毒感染的是一个RNA引导的“免疫系统”——CRISPR-Cas。该系统识别病毒DNA并触发破坏作用。然而,病毒可以用“anti-CRISPR”蛋白质反击和禁用此系统,直到现在人们才知道这些anti-CRISPR蛋白是如何工作的。

由Scripps研究所的生物学家Gabriel C. Lander领导的研究小组第一次解决了病毒的anti-CRISPR蛋白和细菌的CRISPR复合物结合的结构,准确地揭示了病毒如何让细菌防御系统失效。相关文章在3月23日的Cell上发表。研究人员发现anti-CRISPR蛋白质通过锁定CRISPR识别和攻击病毒基因组的能力。一种anti-CRISPR蛋白甚至“模仿”DNA来让CRISPR复合物关闭。

Lander说:“虽然CRISPR-Cas9是著名的CRISPR系统,但有19种不同类型的CRISPR系统,每一个都可能有遗传工程上的独特优势。它们是一个庞大的,未开发的资源。我们越了解这些系统的结构,我们就越能利用它们作为基因编辑的工具。”


三点揭示anti-CRISPR如何起作用

使用被称为冷冻电子显微镜的高分辨率成像技术,研究人员发现了CRISPR和anti-CRISPR的三个重要的方面:

首先,研究人员发现CRISPR复合物如何分析病毒的遗传物质来发现它们应该攻击哪里。复合物中包裹CRISPR RNA的蛋白像张开的手,向细菌RNA的特定部分打开。这些部分的RNA扫描病毒DNA,寻找它们识别的基因序列。这个系统可以快速读取大量DNA并准确集中目标,如果CRISPR复合物识别病毒的DNA目标,就会招募其它分子破坏病毒的基因组。


接下来,研究人员分析了病毒anti-CRISPR蛋白如何让CRISPR系统无法工作。他们发现,一种anti-CRISPR蛋白掩盖了CRISPR RNA裸露部分,从而防止CRISPR系统扫描病毒DNA。这些anti-CRISPR蛋白阻止细菌识别病毒的DNA,它们能靶向CRISPR复合物的关键部分。如果细菌要实现避免病毒攻击而变异,CRISPR系统会停止运转。科学家们认为如果识别DNA的机制没有完全改变的话,CRISPR系统无法逃避这些anti-CRISPR蛋白。

另一个anti-CRISPR蛋白则使用不同的技巧。基于其位置和负电荷,研究人员认为这个anti-CRISPR蛋白模仿DNA,让CRISPR复合物这个蛋白质结合,而不是和入侵的病毒DNA结合。

研究人员认为这些发现非常重要,以前他们只是知道的有anti-CRISPR蛋白会阻断细菌的防御,但还不知道它们是如何工作的。他们相信对这种anti-CRISPR蛋白的最新了解可能将导致更复杂和更有效的工具。也许anti-CRISPR蛋白可用于CRISPR系统阻断基因编辑或者降解anti-CRISPR蛋白触发基因编辑。

CRISPR“关闭开关”的发现

2016年12月8日,发表在Cell杂志上题为“NaturallyOccurring Off-Switches for CRISPR-Cas9”的一项研究中,来自多伦多大学和马萨诸塞大学的科学家们首次发现了CRISPR/Cas9的“关闭开关”(off-switches)。这一成果有望更好地控制这一技术的应用,帮助开发基于CRISPR的人类疾病治疗方案(详细)。

2016年12月29日,发表在Cell杂志上题为“Inhibitionof CRISPR-Cas9 with Bacteriophage Proteins”的研究中,来自加州大学旧金山分校(UCSF)的科学家们找到了在细菌和人类细胞中能都能够阻止CRISPR系统基因编辑活性的抑制剂。科学家们发现的这两个“关闭开关”为 AcrIIA2和AcrIIA4,通过阻碍Cas9酶的活性发挥抑制作用(详细)。

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参考资料

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A molecular on/off switch for CRISPR

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  • Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex

    Genetic conflict between viruses and their hosts drives evolution and genetic innovation. Prokaryotes evolved CRISPR-mediated adaptive immune systems for protection from viral infection, and viruses have evolved diverse anti-CRISPR (Acr) proteins that subvert these immune systems. The adaptive immune system in Pseudomonas aeruginosa (type I-F) relies on a 350 kDa CRISPR RNA (crRNA)-guided surveillance complex (Csy complex) to bind foreign DNA and recruit a trans-acting nuclease for target degradation. Here, we report the cryo-electron microscopy (cryo-EM) structure of the Csy complex bound to two different Acr proteins, AcrF1 and AcrF2, at an average resolution of 3.4 Å. The structure explains the molecular mechanism for immune system suppression, and structure-guided mutations show that the Acr proteins bind to residues essential for crRNA-mediated detection of DNA. Collectively, these data provide a snapshot of an ongoing molecular arms race between viral suppressors and the immune system they target.

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