CRISPR 女神又 1 篇 Science!论文“主角”上周还登上了 Nature

来源:生物探索 / 作者: / 2017-07-23
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Jennifer A. Doudna 教授(图片来源:网络)

上周刚刚在《科学》子刊上发表了新成果的 CRISPR 先驱 Jennifer A. Doudna 教授本周又有 1 篇 Science 论文出炉。7 月 20 日发表的这篇题为“Structures of the CRISPR genome integration complex”的研究揭秘了 CRISPR 蛋白是如何找到它们的目标的。

具体来说,加州大学伯克利分校的研究人员发现了 Cas1-Cas2(与细菌中 CRISPR 免疫系统能力有关的蛋白质)是如何适应新的病毒感染,并鉴定出了它们在基因组中插入病毒 DNA 的位置。研究证实,Cas1-Cas2 对插入位点的识别并不是依赖序列,而是依赖结构。

图片来源:NIH 视频

值得一提的是,Cas1-Cas2 最近刚被用于在细菌基因组的 CRISPR 区域编码了一部电影。相关成果于 7 月 12 日以“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”为题发表在了 Nature 杂志上。哈佛大学遗传学大牛 George M. Church 是这一研究的通讯作者。

结构解析:第三蛋白让 DNA 弯曲成 U 型

在这项新研究中,科学家们发现,Cas1-Cas2 依赖独特的 CRISPR DNA 灵活性来识别病毒 DNA 应该被插入的位点,从而确保先前病毒感染的“记忆”被正确存储。

借助电子显微镜和 X 射线晶体学,研究者们捕捉到了病毒 DNA 插入到 CRISPR 区域时 Cas1-Cas2 的结构。

这种结构揭示出,一种称为 IHF 的第三蛋白(third protein)结合在插入位点附近,将 DNA 弯曲成 U 型,从而使 Cas1-Cas2 可以同时绑定两个识别位点。研究发现,这种反应需要目标 DNA 弯曲并部分解开,并且这只会在正确的目标 DNA 上发生。

A protein called IHF (blue) creates a sharp turn in the DNA (red helix) upstream of the CRISPR repeat (brown helix), allowing Cas1-Cas2 (green and yellow) to recognize and bind the insertion site. (Addison Wright image)

(图片来源:加州大学伯克利分校)

CRISPR 系统是细菌的免疫系统,可以让细菌适应并抵御病毒感染。CRISPR,即“成簇规律间隔的短回文重复”( Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats),是 DNA 中的独特区域。病毒 DNA 片段被储存在这一区域,使得细菌细胞能够识别任何试图再度感染的病毒。病毒 DNA 与“短回文重复”交替出现。这可以作为一种识别信号,指引 Cas1-Cas2 添加新的病毒序列。

该研究的共同第一作者 Addison V. Wright 说:“Cas1-Cas2 对这些重复(repeats)的特异性识别对将病毒 DNA 整合到 CRISPR 阵列中起到了限制作用。这将避免将病毒 DNA 插入错误的位置带来的潜在致命影响。”

特殊识别:不依赖序列,依赖结构

虽然很多 DNA 结合蛋白(DNA-binding protein)是直接“读取”它们识别序列的核苷酸,但 Cas1-Cas2 是通过更加间接的方式来识别 CRISPR 重复(CRISPR repeat):它的形状和灵活性。除了编码蛋白质外,一段 DNA 的核苷酸序列也决定了分子的物理性质,其中,一些序列表现为灵活的铰链,另一些则形成了刚性杆(rigid rods)。

CRISPR 重复的序列使得它能够以恰好正确的方式弯曲,从而被 Cas1-Cas2 绑定。这种现象也使得 Cas1-Cas2 能够通过形状来识别它们的目标。

Wight 在接受 GEN 采访时说:“Cas1-Cas2 最明显的功能利用了它们的进化角色,即作为一种信息存储设备。正如 George Church 最近的成果所展示的那样(注:即本文第 3 段提到的那篇 Nature)。在我们的研究中,我们发现 Cas1-Cas2 的识别更多的依赖于结构,而不是直接的序列识别。这对于改变 Cas1-Cas2 的用途具有相当重要的影响。”

相关推荐:新成果“剑指”脱靶效应

作为 CRISPR 技术的先驱,Jennifer A. Doudna 教授每年都会发表大量的科研成果。除这篇 Science 外,本月 12 日,她带领的研究小组还在 Science Advances 杂志上发表了关于脱靶效应的最新成果(论文题目:Disabling Cas9 by an anti-CRISPR DNA mimic)。研究发现,CRISPR“关闭开关”AcrIIA4 能够降低 Cas9 编辑人类细胞基因组的脱靶效应。

参考资料:

Researchers discover how CRISPR proteins find their target

CRISPR Structure Data Reveals How Cas Enzymes Choose Target

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换一换

我相信是严肃的文章。相信后按照这个去做一段时间。

真的有这种药上市了吗?患者到哪里医治

这题目取得,直接说让人类灭亡得了

是不是要多吃酸奶,使肠道菌群合理

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