“RNA 魔剪”新成员 “面纱” 揭开 定位病变细胞更精准

来源: 科技日报 / 作者: 2019-07-25
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解码基因编辑

本报记者 谢开飞

CRISPR-Cas13 系统能够靶向编辑 RNA,被称为 “RNA 魔剪”。随着科学家们研究的深入,其家族成员不断壮大。近日,发表在《自然 · 通讯》的一项成果,揭开了“RNA 魔剪” 家族最年轻成员 “CRISPR-Cas13d” 的神秘面纱。

这项成果来自福建师范大学欧阳松应教授团队。该团队解析了瘤胃球菌的 Cas13d 蛋白(简称 UrCas13d)与 crRNA 二元复合物高分辨率晶体结构,揭示了 UrCas13d 加工前体 crRNA 的酶活性关键位点,鉴定了 crRNA 的间隔序列和靶向 RNA 之间的错配耐受性等之前尚未研究清楚的问题。

“这就像飞机设计工程师获得了设计并制造一架飞机的图纸与工序,为修理或设计出更出色的飞机提供了蓝图。” 欧阳松应表示,这为进一步改造 Cas13d 作为核酸编辑及检测工具,并发挥其在解决人类疾病与健康等问题上的应用潜力,提供了扎实的结构基础和理论依据。

“RNA 魔剪” 应用潜力巨大

CRISPR-Cas 系统是一种原核生物(细菌和古细菌)的免疫防御系统,该系统表达的非编码 RNA(crRNA)及其相关 Cas 蛋白组成的复合物,使得原核生物能够识别并且 “撕碎” 入侵噬菌体的核酸物质(DNA 或者 RNA),用以保持自身遗传物质的“纯洁”,在原核生物的进化中起到重要作用。

“正是由于这种精确地靶向切割特定核酸序列的功能,CRISPR-Cas 系统被开发成高效的基因编辑工具,可以对遗传物质 DNA 或 RNA,进行依赖核酸序列信息的精确识别和切割。” 欧阳松应说,其中名声在外的 CRISPR-Cas9 系统可以高效地编辑 DNA 序列,用于纠正个体细胞内的基因缺陷,给众多遗传疾病和罕见病治疗带来了希望,该系统已经从实验室研究阶段进入到临床研究阶段,具有治愈或预防多种人类疾病的潜力。

近年来,源于生物学研究及医学领域的巨大应用潜力,一类可以特异地靶向检测与编辑 RNA 的 CRISPR-Cas 系统被发现并报道出来,命名为 Cas13(包括了 a、b、c、d 四个家族成员)系统。这一针对 RNA 的编辑工具可以在 RNA 水平调节基因的功能,而不会对基因本身造成永久性改变。

2018 年 4 月,美国索尔克研究所一个课题组和美国 Arbor 生物技术公司的课题组分别报道了通过生物信息学方法筛选,并经过功能实验验证的新型 Cas 蛋白,命名为 Cas13d。作为最年轻的成员,Cas13d 与其他 “兄弟姐妹” 在功能上有着相似之处,但更有其独特之处。

“关键在于大小。” 欧阳松应介绍,Cas13d 的蛋白序列长度约为 930 个氨基酸,比其他 Cas13 家族成员明显偏小,比 Cas9 更是小 33%,这种尺寸使其更容易包装到容量较小的载体中,如腺相关病毒(AAV)载体,因此在开发新药、新材料和新的诊断方法上具有广泛应用潜力。

获得新型 “魔剪” 高分辨率晶体结构

结构生物学是分子生物学、生物化学及生物物理学的分支学科,关心的是生物大分子(例如蛋白质分子和核酸分子)的分子三维结构(包括构架和形态),获得它们的结构信息,并研究生物大分子的结构与功能之间的关系。

“所有的生命活动都是通过各种生物大分子的相互作用来实现,而结构生物学能够解释生物大分子的构象和相互作用的方式,从原子水平揭示生命过程的详细机制,使人们‘知其然而知其所以然’。” 欧阳松应告诉记者,目前结构生物学的研究范围已经涉及到大多数重要的生命活动,分子生物学的每一个前沿突破都与结构生物学密切相关。

在本研究中,欧阳松应课题组将结构生物学与生命科学前沿研究课题结合,解析了 UrCas13d 蛋白和 crRNA 二元复合物的高分辨率晶体结构,可以直观看到每一个原子的位置及它们之间的相互作用细节信息。

“当入侵者到来,CRISPR-Cas 系统会在‘指挥官’(前导序列)的调控下转录出两种‘防御材料’,其中一种就是前体 crRNA,另一种是我们研究的 Cas 蛋白。” 欧阳松应比喻说。这一研究清楚地解释了 Cas13d 这把 “新型魔剪”,究竟采用了什么样的空间结构布局来加工前体 crRNA,并如何结合成熟的 crRNA,形成具有识别靶向 RNA 能力的功能复合物,从而进一步研究清楚该蛋白具有的 crRNA 依赖的 RNase 活性的分子机理。

相关研究表明,Cas13d 可做为一种强大 RNA 编辑工具,用于纠正老年痴呆症患者细胞中引起疾病的蛋白质失衡。同时,Cas13d 可以作为一种可操控的 RNA 结合模块,有效靶向细胞内的 RNA 转录物,为转录组工程和疾病治疗提供了一个通用平台。

“该研究揭开了 CRISPR-Cas13d 系统的神秘面纱,对其技术机制特点有了更深刻理解,有助于这项技术更广泛地应用,从而造福人类。” 欧阳松应说。

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