Science:微生物免疫系统自我/非自我识别的关键酶

近日美国劳伦斯伯克力国家实验室以及加州大学伯克利分校的研究人员组成的一个研究小组揭示了微生物免疫系统发挥作用的机制，研究论文发表在《科学》（Science)杂志上。

　　

    生物通报道  想象一下在一场战争中敌人的数目数倍于你，这意味着你将遭到绝对残酷的攻击。而对于微生物例如细菌和太古菌，它们常常面对着来自病毒的不断攻击和质粒的侵入。为了在这样的侵袭中存活，细菌采用了大量的保护机制，其中包括由CRISPR基因调控的基于核苷酸的获得性免疫系统。

    通过CRISPR与CRISPR相关的“Cas”蛋白质组的作用，微生物能够利用小RNA分子沉默入侵物遗传信息的关键部分，并获得对类似入侵物的免疫。为了更好地了解这一微生物免疫系统发挥作用的机制，科学家们需要更多地了解CRISPR编码小RNA分子是如何生成的。近日美国劳伦斯伯克力国家实验室以及加州大学伯克利分校的研究人员组成的一个研究小组解开了这个问题的答案。

    该研究由生物化学家Jennifer Doudna领导，研究小组利用伯克利实验室同步加速器蛋白质晶体学光束线（protein crystallography beamlines）获得了Csy4核糖核酸内切酶原子水平的晶体结构模型。Doudna和她的同事们确定Csy4是一种存在于原核细胞的酶，它能够启动生成CRISPR衍生RNAs (crRNAs)，这种小RNA分子能够靶向并沉默侵入的病毒和质粒。

    “我们的模型揭示Csy4和来自相同的CRISPR/Cas超家族的相关核糖核酸内切酶利用了巧妙的识别机制将crRNA与其他的细胞内RNAs区分开，确保选择性生成细菌获得性免疫所需的crRNA，”Doudna说：“我们同时还发现Cys4与另一种在真核生物RNA干扰中起关键作用的酶Dicer在RNA识别中有着相似的功能。

    Doudna是研究RNA分子结构方面的的权威，她是伯克利实验室物理生物科学部门与加州大学伯克利分校分子细胞生物学系和化学系联合负责人，此外她还是霍华德休斯医学研究所的调查员。这个关于CRISPR的最新研究发表在《科学》(Science)杂志上。论文的第一作者还包括Rachel Haurwitz, Martin Jinek, Blake Wiedenheft 和Kaihong Zhou.

    微生物染色体上的CRISPR位点由重复元件和间隔元件组成。每个重复和间隔元件包含30到60个核苷酸碱基对序列。40%的细菌和90%的太古菌基因组序列均存在CRISPR位点。一个细菌通常含有几个CRISPR位点，每个位点是由4到100个CRISPR重复-间隔单位组成。Doudna和她的同事们研究了一种在环境中普遍存在的细菌——绿脓假单脓菌的CRISPR。
   
    Doudna研究小组的毕业生，论文的第一作者Rachel Haurwitz解释了CRISPR/Cas免疫系统作用的机制。
 
    “细菌识别侵入的病毒或质粒，将外源DNA小片段插入它的CRISPR位点成为新的间隔序列。CRISPR单位被转录成crRNA前体。Csy4酶对crRNA前体每个重复元件进行切割生成长度为60个核苷酸的crRNAs，其中包含与外源DNA相匹配的序列。Cas蛋白利用crRNA结合这些匹配序列，沉默入侵的病毒或质粒。”

     Haurwitz说原核细胞CRISPR/cas系统沉默外源DNA的方式类似于真核生物的siRNAs。随着时间过去，CRISPR/cas系统将建立起可遗传的DNA编码免疫从而防止同类型病毒和质粒的入侵。

    通过分辨率为1.8埃的Csy4酶与相关RNA结合的晶体结构模型，伯克利CRISPR研究小组证实Csy4 可与CRISPR RNA重复茎环的大沟发生序列特异性相互作用，并与磷酸骨架发生静电接触。这些相互作用使得Csy4能够利用活性位点保守的丝氨酸和组氨酸残基选择性结合并切割crRNAs前体。
 
    “我们的模型解释了CRISPR特异性核糖核酸内切酶超家族序列和结构特异性作用机制。”Doudna说。
Doudna和她的同事们使用伯克利实验室同步加速器蛋白质晶体学光束线8.2.1 和 8.3.1实验终端装置生成了1.8埃分辨率晶体结构。两个光束线都是由超导体偏转磁铁“superbends”提供能量。

    “同步加速器和它的蛋白质晶体学光束线将继续成为我们研究的一个重要资源，”Doudna说。

    CRISPR/cas系统利用靶向干扰外源DNA的crRNAs将调控真核生物和原核生物进程的各类小RNA分子连接在一起。了解这些小RNA分子如何发挥作用可促进我们对于细胞生物学的基本理解并为了解RNA在生命进化中的主要作用提供重要线索

    Doudna说：“通过对细菌产生和利用小RNAs选择靶向基因机制的研究，我们希望能够发现细菌和真核生物在进化中有利于遗传控制的信号途径的特征。现在看起来细菌和真核生物通过完全不同的信号途径利用RNAs进行基因调控，这是非常让人惊讶的结果！”

（生物通：何嫱）