青年学者发表Cell新文章：两种新型CRISPR-Cas系统

中科院生物物理所，美国Sloan研究所的研究人员发表了题为“PAM-Dependent Target DNA Recognition and Cleavage by C2c1 CRISPR-Cas Endonuclease”的文章，解析了C2c1-sgRNA二元复合物及C2c1-sgRNA-DNA多种三元复合物结构，并明确了C2c1对双链DNA的切割会产生7nt的粘性末端，这是目前所有用于基因组编辑的CRISPR-Cas系统所能产生的最长粘性末端。

　　

生物通报道：来自中科院生物物理所，美国Sloan研究所的研究人员发表了题为“PAM-Dependent Target DNA Recognition and Cleavage by C2c1 CRISPR-Cas Endonuclease”的文章，介绍了近年来新发现的CRISPR-Cas系统：CRISPR-C2c1，他们解析了C2c1-sgRNA二元复合物及C2c1-sgRNA-DNA多种三元复合物结构，并明确了C2c1对双链DNA的切割会产生7nt的粘性末端，这是目前所有用于基因组编辑的CRISPR-Cas系统所能产生的最长粘性末端。

这一研究成果公布在12月15日的Cell杂志上，研究人员包括中科院生物物理所国家“青年****”高璞研究员，他与Sloan研究所的Dinshaw J. Patel教授合作，还曾在Cell Research 杂志上发文，报道了另外一种CRISPR-Cas系统：CRISPR-Cpf1。

CRISPR-Cpf1也能在crRNA的引导下在人类细胞中剪切目标DNA，被称为是新一代的CRISPR基因组编辑系统。今年8月，这一研究组发文揭示了CRISPR-Cpf1识别目标DNA的独特机制。他们解析了Cpf1-crRNA-DNA三元复合物，并详细分析了target DNA结合前后的构象变化，提出了有别于Cas9的DNA识别机制。基于结构的分析，他们推测Cpf1系统相较于Cas9可能具备更低的脱靶效应。

除了Cpf1，去年Broad研究所的张锋研究组还采用了一种新生物信息学方法发现了暂时被命名为C2c1、C2c2和C2c3的新蛋白，他们开发出一系列的计算方法来搜索NIH基因组数据库，鉴别新的CRISPR-Cas系统。但对于这种新系统，科学家们了解的不多。

在最新这项研究中，高璞课题组与Patel教授等人首先解析了C2c1-sgRNA二元复合物及C2c1-sgRNA-DNA多种三元复合物结构。并且他们通过结构分析，揭示了C2c1不同于Cas9和Cpf1的独特target DNA识别和切割方式。

同时在之后的生化实验中，研究人员首次明确了C2c1对双链DNA的切割会产生7nt的粘性末端。这是目前所有用于基因组编辑的CRISPR-Cas系统所能产生的最长粘性末端，将有希望提高切割后的连接效率。

（生物通：万纹）

作者简介：

高璞 博士 研究员 博士生导师

　　国家“青年****”

　　中科院生物物理所，中科院感染与免疫重点实验室，创新课题组组长

　　研究方向：天然免疫响应及宿主-病原相互作用的分子机制
2015-今 中国科学院生物物理研究所（研究员）

　　2011-2015 美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心（博士后、研究助理）

　　2005-2011 中国科学院生物物理研究所（博士）

　　2001-2005 山东大学（学士）

　　研究方向

　　本课题组的主要研究领域为结构免疫学，综合运用结构生物学、生物化学、细胞生物学等手段，致力于阐明与感染免疫相关的生物学问题，并针对重要疾病靶标设计靶向小分子药物。近期课题组的主攻方向为细胞质DNA天然免疫识别通路，目前已完成的工作阐明了此通路中多个重要步骤的分子机制：1）细胞质DNA受体cGAS识别DNA的分子机制及GAS受DNA激活催化产生新型第二信使分子2’3’-cGAMP的分子机制（Cell, 2013, 153:1094-107）；2）第二信使2’3’-cGAMP激活接头蛋白STING的分子机制（Cell, 2013, 154:748-62）；3）STING靶向抗癌药物DMXAA种属特异性的分子机制及进一步改造策略（Cell Reports, 2014, 8:1668-76）。另外，课题组还对多种病原微生物的致病机理感兴趣，通过对病原与宿主相互作用的机制研究，为治疗多种传染性疾病提供帮助。
 

原文摘要：

PAM-Dependent Target DNA Recognition and Cleavage by C2c1 CRISPR-Cas Endonuclease
C2c1 is a newly identified guide RNA-mediated type V-B CRISPR-Cas endonuclease that site-specifically targets and cleaves both strands of target DNA. We have determined crystal structures of Alicyclobacillus acidoterrestris C2c1 (AacC2c1) bound to sgRNA as a binary complex and to target DNAs as ternary complexes, thereby capturing catalytically competent conformations of AacC2c1 with both target and non-target DNA strands independently positioned within a single RuvC catalytic pocket. Moreover, C2c1-mediated cleavage results in a staggered seven-nucleotide break of target DNA. crRNA adopts a pre-ordered five-nucleotide A-form seed sequence in the binary complex, with release of an inserted tryptophan, facilitating zippering up of 20-bp guide RNA:target DNA heteroduplex on ternary complex formation. Notably, the PAM-interacting cleft adopts a “locked” conformation on ternary complex formation. Structural comparison of C2c1 ternary complexes with their Cas9 and Cpf1 counterparts highlights the diverse mechanisms adopted by these distinct CRISPR-Cas systems, thereby broadening and enhancing their applicability as genome editing tools.