可爱龙博士Nature发表CRISPR研究新成果

　　

生物通报道  来自康奈尔大学、蒙大拿州立大学等处的科学家们，在新研究中揭示出了细菌抵御病毒攻击的机制。他们的研究成果在线发表在2月10日《自然》（Nature）杂志上。

领导这一研究的是康奈尔大学分子生物学与遗传学系副教授可爱龙（Ailong Ke）博士，其主要的研究方向是RNA分子的结构与功能研究。2013年，可爱龙博士曾与清华大学的王宏伟教授合作，揭示了酵母外切体复合物（exosome）中不同RNA底物的降解信号通路。相关研究论文发表在Nature Structural & Molecular Biology杂志上（清华大学Nature子刊揭示RNA降解新机制 ）。

Nature论文的共同作者、蒙大拿州立大学微生物学与免疫学助理教授Blake Wiedenheft说：“像人类一样，细菌也会受到病毒感染。近年来我们发现了细菌具有称作为CRISPRs的复杂免疫系统，我们开展研究工作的目的就是要了解这些免疫系统的运作机制。”

多年前科学家们就已经知道，细菌有能力抵抗入侵的病毒，但却认为它们的免疫系统是比较原始的。然而，近年来对于CRISPRs的研究发现改变了这种看法。

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Wiedenheft说：“CRISPRs提供了有关过去遭遇到的病毒的分子记忆，在随后遇到病原体时细菌可利用CRISPRs来快速启动免疫反应。这在概念上与我们自身的免疫系统相似。”

新研究揭示出了CRISPRs区分病毒RNA与自身遗传物质的机制。没有这种能力，抗病毒措施将会损伤宿主细胞。

Wiedenheft说：“靶向储存在细菌基因组中的外源DNA会导致自身免疫反应，杀死细菌或让其变得很脆弱。这项研究解释了大肠杆菌中的免疫系统是如何区分细菌自身与病毒的遗传物质的。”

为了了解这些免疫系统区分“自我”与“非我”DNA的机制，研究人员利用了一种叫做X射线晶体学的技术来构建当免疫系统监视复合物正在识别一段外源DNA片段时它的详细蓝图。

Wiedenheft说：“这些蓝图在概念上与建筑师的蓝图相似，其解释了这些生物学机器的运作机制。我们现正试图利用这些蓝图来操控这一系统实现大自然未曾想到的新应用。”

了解CRISPRs在细菌中的运作机制已促使开发出了一项对生物技术和医学产生深远影响的革命性新技术。在细菌中，CRISPRs结合并切割外源DNA，阻止了它在细菌细胞中建立感染。了解这一系统的确切作用机制，能够让科学家们“改变这些DNA切割系统的用途来实现DNA手术，”Wiedenheft说。

“现在CRISPR系统已被搬到了人类细胞中，我们可以编程这些系统来删除和修复人类细胞中的缺陷DNA。”

这些技术还有潜力用来消除疾病。例如，在2015年12月31日的《科学》（Science）上，三个独立研究小组提供了初步的研究证据表明，通过编辑一个与肌肉功能相关的基因，修复杜氏肌营养不良症小鼠的一些肌肉功能，可以治愈这一遗传性疾病。这标志着第一次在完全发育的活体哺乳动物中CRISPR采用一种有潜力转化为人类疗法的策略，成功治疗了一种遗传疾病（三篇Science文章：利用CRISPR治疗遗传疾病 ）。2015年10月，哈佛医学院遗传学大牛George Church宣布，他和同事们利用CRISPR/Cas9基因编辑技术失活了猪胚胎中的62个猪内源性逆转录病毒(PERVs)，这为生成合适的非人类器官供体带来了新希望（Nature：遗传学大牛刷新CRISPR基因编辑记录 ）。此外，在美国和一些其他国家现也启动了一些关于CRISPR应用的大型商业投资。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Structural basis for promiscuous PAM recognition in type I–E Cascade from E. coli

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) and the cas (CRISPR-associated) operon form an RNA-based adaptive immune system against foreign genetic elements in prokaryotes1. Type I accounts for 95% of CRISPR systems, and has been used to control gene expression and cell fate2, 3. During CRISPR RNA (crRNA)-guided interference, Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defence) facilitates the crRNA-guided invasion of double-stranded DNA for complementary base-pairing with the target DNA strand while displacing the non-target strand, forming an R-loop4, 5. Cas3, which has nuclease and helicase activities, is subsequently recruited to degrade two DNA strands4, 6, 7. A protospacer adjacent motif (PAM) sequence flanking target DNA is crucial for self versus foreign discrimination4, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16. Here we present the 2.45 Å crystal structure of Escherichia coli Cascade bound to a foreign double-stranded DNA target. The 5′-ATG PAM is recognized in duplex form, from the minor groove side, by three structural features in the Cascade Cse1 subunit. The promiscuity inherent to minor groove DNA recognition rationalizes the observation that a single Cascade complex can respond to several distinct PAM sequences. Optimal PAM recognition coincides with wedge insertion, initiating directional target DNA strand unwinding to allow segmented base-pairing with crRNA. The non-target strand is guided along a parallel path 25 Å apart, and the R-loop structure is further stabilized by locking this strand behind the Cse2 dimer. These observations provide the structural basis for understanding the PAM-dependent directional R-loop formation process17, 18.