Cell:两位学者详解CRISPR“中心法则”

【字体: 时间:2015年10月19日 来源:生物通

编辑推荐:

  近期来自蒙大拿州立大学的两位学者以“CRISPR-RNA-Guided Adaptive Immune Systems”为题,介绍了CRISPR-Cas免疫应答系统。其中Blake Wiedenheft就是当年加州大学伯克利分校Jennifer Doudna研究组成员,他们曾于2010年破解了Csy4核糖核酸内切酶原子水平的晶体结构模型……

  生物通报道:2007年,来自丹尼斯克公司(一家总部位于丹麦哥本哈根的食品添加剂公司,目前被杜邦公司收购)的科学家找到了一种能增强细菌防御噬菌体能力的方法。之后2013年,四个研究团队报告了这一被称为CRISPR的系统,自此CRISPR技术红红火火的发展了起来,许多科研团队利用它来删除、添加、激活或抑制人体、老鼠、斑马鱼、细菌、果蝇、酵母、线虫和农作物细胞中的目标基因。

近期来自蒙大拿州立大学的两位学者以“CRISPR-RNA-Guided Adaptive Immune Systems”为题,介绍了CRISPR-Cas免疫应答系统。其中Blake Wiedenheft就是当年加州大学伯克利分校Jennifer Doudna研究组成员,他们曾于2010年破解了Csy4核糖核酸内切酶原子水平的晶体结构模型——研究人员确定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。

细菌和古细菌进化出了复杂的CRISPR适应性免疫系统,这一系统可以分成I-III三个类型,至少有11种不同的亚型:从I-A到I-F,从II-A到II-C,以及III-A和III-B,不过尽管有这些不同,所有的CRISPR-Cas系统都通过三个主要阶段来完成功能:采集,CRISPR RNA(crRNA) 生物合成与靶向干扰。

阶段1:外源DNA采集

外源核苷酸是通过Cas蛋白来识别的,入侵的短片段DNA(30-50个碱基对)被称为protospacers,作为间隔序列插入宿主CRISPR位点中,由重复序列隔开。对于I型和II型系统来说,protospacers来自入侵DNA中两侧出现2-5个核酸结构(PAM,protospacer adjacent motif)的区域。一般protospacers连接在CRISPR 位点的一端,并且后者通过涉及Cas1、Cas2和游离3’-hydroxyls等元件的机制,牵引序列。Protospacer的整合过程中也出现了牵引末端重新序列复制,这可能涉及宿主聚合酶和DNA修复机制。

相关论文解析:

Multiple mechanisms for CRISPR–Cas inhibition by anti-CRISPR proteins

研究人员确定了其中三种anti-CRISPR蛋白:AcrF1、AcrF2和AcrF3的功能机制。他们对这些蛋白进行了生物化学及体内研究,证实每一个anti-CRISPR蛋白都通过不同的机制来抑制了CRISPR–Cas的活性。有两个anti-CRISPR阻断了CRISPR–Cas复合物的DNA结合活性,但它们是通过与不同的蛋白质亚基互作,利用了空间或非空间抑制模式来做到这一点的。第三种anti-CRISPR蛋白通过结合Cas3解螺旋酶-核酸酶,阻止其招募到结合DNA的CRISPR–Cas复合物上来起作用。在体内,这一anti-CRISPR可以将CRISPR–Cas系统转变为转录遏制物,首次证实了一种蛋白质相互作用蛋白可以调控CRISPR–Cas活性。作者们认为,这些anti-CRISPR蛋白质不同的序列及作用机制表明了独立的进化,并预示了还存在其他的方式——蛋白质借助于它们改变了CRISPR–Cas的功能。

新研究首次探讨了蛋白质抑制CRISPR–Cas系统的机制。这些多样且不同的机制反映了病毒-宿主军备竞赛深层的进化根源。这些已知和尚有待发现的Anti-CRISPR,将为认识和操控CRISPR–Cas系统提供大量有价值的工具。其中一个例子就是,新研究发现AcrF3通过阻止招募Cas3将CRISPR–Cas系统转变为了一个基因调控因子。由于除了破坏外源DNA,CRISPR–Cas系统来执行着各种功能,许多重要的功能有可能是由与CRISPR–Cas元件互作,由此改变了这一系统活性的蛋白质来完成。

阶段2:crRNA合成

CRISPR RNA生物合成在转录之后,生成初级转录产物:pre-crRNA,之后经过加工,又成为一组短小的CRISPR 衍生RNAs(crRNAs),这些crRNAs每一个都包含有对应于之前遇到的外源DNA的对应序列。

CrRNAs导向序列两端是相邻重复序列区域,在I型和II型系统中,这种CRISPR转录产物会被CRISPR特异性核酸内切酶(Cas6 或 Cas5d)切割,切割位点位于重新序列。许多I型系统的重新序列会出现多次,因此Cas6也需要稳定连接在crRNA 3’端茎环上。对于III型系统来说,Cas6则是短暂连接,crRNA 3’端会进一步通过未知的酶处理。

II型系统中,CRISPR RNA加工过程则取决于反式作用 crRNA (tracrRNA),tracrRNA包含一个重复序列的互补序列,这些双螺旋区域在Cas9出现时可以通过RNase III 进行处理。

下篇: 一张图解CRISPR系统作用全步骤

相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普
  • 急聘职位
  • 高薪职位

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号