又一位華人學(xué)者！《Nature》，《Cell》兩篇文章發(fā)現(xiàn)CRISPR新系統(tǒng)的奧秘

9月4日，這一研究組的新成果“How type II CRISPR–Cas establish immunity through Cas1–Cas2-mediated spacer integration”公布在Nature雜志上，提出了II型CRISPR系統(tǒng)逐步間隔序列整合的一個機(jī)制框架，這將有利于增加對II型CRISPR系統(tǒng)作用機(jī)制的了解。
細(xì)菌面對著來自病毒以及入侵核酸鏈質(zhì)粒的不斷攻擊。為了在這樣的攻擊下生存下來，細(xì)菌和古細(xì)菌采用了多種防御機(jī)制，包括一種以稱作為規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)(Clustered regularly interspaced short palindromic repeat,CRISPR)的DNA元件為中心的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)。CRISPR DNA元件是由一些長度為30-60個核苷酸的“重復(fù)序列”組件構(gòu)成，這些重復(fù)序列被長度變化為30-60個核苷酸的“間隔序列”（spacer）組件所間隔。
為了記住感染，CRISPR系統(tǒng)從入侵病毒DNA處抓取了一段短序列，將它直接插入到細(xì)菌基因組中。一些噬菌體DNA片段被儲存在基因組的特定區(qū)域中；這些形成了免疫記憶。在隨后的感染中，CRISPR利用這些序列構(gòu)建出了與噬菌體遺傳序列相匹配的短RNA鏈。連接這一RNA的蛋白質(zhì)復(fù)合物隨后鑒別出噬菌體DNA然后破壞它。
如果錯誤抓取自身DNA片段可導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞罹患自身免疫疾病，攻擊它自身的DNA，這對于細(xì)菌可能是致命的。那么CRISPR系統(tǒng)是如何知道將外源DNA而非自身DNA片段插入到免疫記憶中去呢？
之前的研究顯示，細(xì)菌具有兩種稱作為Cas1和Cas2的蛋白——是CRISPR系統(tǒng)的組成部分，負(fù)責(zé)獲取外源DNA片段。CRISPR系統(tǒng)成功地將質(zhì)粒DNA整合到了細(xì)菌的基因組中，而“自身”DNA很少遭到攻擊。保守的Cas1和Cas2蛋白能形成一種整合酶復(fù)合物：邊上是Cas1二聚體，中間是一個Cas2二聚體。
對于已經(jīng)研究得比較多的大腸桿菌I-E型 CRISPR系統(tǒng)來說，間隔序列取決于細(xì)菌的Integration Host Factor (IHF)，然而對于II-A型 CRISPR系統(tǒng)來說，這依然是個未解之謎。在這篇文章中，研究人員就通過分析鏈球菌的II-A型 CRISPR系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)了在間隔整合期間，Cas1-Cas2的四個結(jié)構(gòu)快速捕捉成像，由此解析了這個關(guān)鍵的問題。
研究人員發(fā)現(xiàn)在靶標(biāo)靶點過程中有三個重要的分子事件：首先Cas1-Cas2/prepace隨機(jī)搜尋半結(jié)合位點，然后優(yōu)先與前導(dǎo)側(cè)CRISPR重復(fù)序列相互作用，催化一種親核攻擊，即將前導(dǎo)-近端重復(fù)序列連接到prepacer的3'-overhang上。此外，研究人員指出識別間隔序列的半結(jié)合位點需要DNA彎曲并完全整合。
這項研究提出了II型CRISPR系統(tǒng)逐步間隔序列整合的一個機(jī)制框架，這將有利于增加對II型CRISPR系統(tǒng)作用機(jī)制的了解。
今年7月，柯愛龍教授研究組公布了嗜熱裂孢菌（Thermobifida fusca）的I型CRISPR復(fù)合體的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，并從中揭示了CRISPR-Cas3這一系統(tǒng)的作用機(jī)制。
研究人員利用生化技術(shù)和冷凍電子顯微鏡技術(shù)，得到了不同的功能狀態(tài)下的穩(wěn)定復(fù)合物結(jié)構(gòu)，觀察到了CRISPR復(fù)合物靶向目標(biāo)DNA鏈，并準(zhǔn)備通過Cas3酶切割DNA的全過程。研究人員表示這些結(jié)構(gòu)有助于揭示多層錯誤檢測的過程，這一過程可以防止出現(xiàn)意外的基因組損傷。
研究人員還發(fā)現(xiàn)在CRISPR-Cas3中，crRNA被添加到CRISPR蛋白復(fù)合物上，當(dāng)CRISPR復(fù)合物發(fā)現(xiàn)PAM序列，就會讓DNA呈銳角彎曲，迫使一小段DNA解鏈。這允許crRNA的一個長11nt的片段結(jié)合到靶DNA鏈上，形成“seed bubble”。這個結(jié)構(gòu)能起到自動防故障裝置的作用，檢查靶DNA是否匹配crRNA，如果它們正確匹配，則氣泡擴(kuò)大，并且其余的crRNA與其相應(yīng)的靶DNA結(jié)合，形成所謂的“R-環(huán)”結(jié)構(gòu)。
一旦這種R環(huán)完全形成，這種CRISPR復(fù)合體就發(fā)生構(gòu)象變化，將靶標(biāo)DNA鎖定。同時也讓DNA的第二條非靶標(biāo)鏈形成一個凸起，這樣形成完整的R-環(huán)結(jié)構(gòu)，就能被Cas3酶切割。