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Cell:揭示抗CRISPR蛋白阻断CRISPR系统机制

想象一下细菌和病毒一直处于军备竞赛之中。对很多细菌而言,一种抵抗病毒感染的防御线是一种复杂的RNA引导的“免疫系统”,即CRISPR-Cas。这个免疫系统的核心是一种识别病毒DNA和触发它破坏的监视复合物。然而,病毒能够反击,利用抗CRISPR蛋白让这种监视复合物不能够发挥功能。但是,在此之前,没有人准确地知道这些抗CRISPR蛋白如何发挥作用。

如今,来自美国国家过敏症与传染病研究所、斯克里普斯研究所、蒙大拿州立大学、加州大学旧金山分校和加拿大多伦多大学的研究人员首次解析出病毒抗CRISPR蛋白附着到一种细菌CRISPR监视复合物上时的结构。他们发现抗CRISPR蛋白的作用机制是封锁CRISPR识别和攻击病毒基因组的能力。一种抗CRISPR蛋白甚至“模拟”DNA,让这种crRNA(CRISPR经转录产生的RNA)引导的检测机器脱轨。相关研究结果发表在2017年3月23日的Cell期刊上,论文标题为“Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex”。论文通信作者为来自斯克里普斯研究所的Gabriel C. Lander和来自蒙大拿州立大学的Blake Wiedenheft。

如果说CRISPR复合物听起来很熟悉,那是因为它们是新一波基因组编辑技术的最前沿。CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeat)的简称,Cas是CRISPR相关蛋白的简称。科学家们已发现他们能够利用CRISPR降解病毒RNA的天然能力,并且使用CRISPR系统从几乎任何一种有机体中移除不想要的基因。

Lander说,“尽管CRISPR-Cas9是远近闻名的CRISPR系统,但是存在19种不同类型的CRISPR系统。每种CRISPR系统可能具有独特的优势用于基因工程。它们是巨大的未开发资源。我们更多地了解这些系统的结构,我们就能够更多地利用它们作为基因组编辑工具。”

利用一种被称作冷冻电镜的高分辨率成像技术,这些研究人员发现了CRISPR系统和抗CRISPR蛋白的三个重要的方面。

首先,他们准确地观察这种CRISPR监视复合物如何识别病毒遗传物质以便发现它应当在何处发起攻击。这种监视复合物中的蛋白像握手那样缠绕在细菌crRNA的周围,让这种crRNA的特定片段暴露出来。这种特定片段扫描病毒DNA,寻找它们能够识别的基因序列。

Lander说,“这种系统能够快速地读取非常长的DNA序列,并且准确地找到它的靶位点。”如果这种CRISPR系统识别出一种病毒DNA靶标,那么这种监视机器招募其他的分子来摧毁这种病毒的基因组。

再者,这些研究人员分析了病毒抗CRISPR蛋白如何瘫痪这种监视复合物。他们发现一种抗CRISPR蛋白覆盖住crRNA的这个暴露片段,从而阻止这种CRISPR系统扫描病毒DNA。

Lander解释道,“这些抗CRISPR蛋白阻止细菌识别病毒DNA。”他认为这些抗CRISPR蛋白是“非常机智的”,这是因为它们似乎经过进化,靶向这种CRISPR系统的一个至关重要的部分。如果细菌让这种CRISPR系统发生突变来避免病毒攻击,那么这种系统将会不再发挥功能。他说,“CRISPR系统在不用完全改变它用来识病毒DNA的机制的情形下,就不能够逃避这些抗CRISPR蛋白的作用。”

另一种抗CRISPR蛋白采用一种不同的策略。基于这种抗CRISPR蛋白的结合位置和负电荷,这些研究人员认为它起着模拟DNA的作用,诱导CRISPR结合这种抗CRISPR蛋白,而不是入侵的病毒DNA。

Lander说,“这些发现是比较重要的,这是因为我们已知道抗CRISPR蛋白阻断细菌的防御,我们并不曾知道这是如何实现的。”

这些研究人员认为这种对抗CRISPR蛋白的新认识可能最终导致人们开发出更加复杂的和更加高效的基因编辑工具。抗CRISPR蛋白可能能够被用于CRISPR系统之中来迅速阻断基因编辑,或者科学家们可能能够降解抗CRISPR蛋白来触发基因编辑。Lander说,“它们可能作为CRISPR系统的一种启动-关闭开关发挥作用。”

参考文献:

Saikat Chowdhury, Joshua Carter, MaryClare F. Rollins et al. Structure Reveals Mechanisms of Viral Suppressors that Intercept a CRISPR RNA-Guided Surveillance Complex. Cell, 23 March 2017, 169(1):47-57, doi:10.1016/j.cell.2017.03.012

来源:生物谷

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