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最新Science论文:一种可以切割蛋白质的CRISPR-Cas系统

2022年11月07日 08:52 生物世界 点击:[]

CRISPR-Cas系统是普遍存在于细菌和古菌中的一类古老的免疫系统,用于抵御防御外源遗传元件(例如噬菌体)入侵。通过对它们的研究,科学家们开发出了CRISPR-Cas9等一系列强大的基因编辑工具。这些基因编辑工具都是RNA引导的核酸酶,对DNARNA进行切割。此外,还有CRISPR相关转座酶(CAST)系统,通过核酸酶失活的CRISPR效应子引导Tn7样移动遗传元件到特定DNA序列,实现RNA引导的DNA插入。

除了CAST系统,可能还有更多CRISPR-Cas系统相关的其他系统有待发现和探索。20228月,康奈尔大学的可爱龙教授/胡纯一博士等在 Science 期刊发表论文。该研究揭示了CRISPR-Cas相关系统Cas7-11通过gRNA引导靶向激活蛋白酶Csx29,蛋白酶Csx29可对蛋白底物进行切割。Cas7-11Csx29可形成稳定的蛋白复合体,但相关蛋白酶的底物和功能尚不清楚。

2022113日,张锋团队在 Science 期刊发表了题为:RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase 的研究论文。

该研究确定了Cas7-11这种III-ECRISPR相关蛋白酶(CASP)的蛋白底物、结构和作用机制,揭示了CRISPR系统在核酸酶之外的新功能,并开发了可在体外和人类细胞中用于检测RNARNA传感。


CRISPR-Cas系统可以分为两类,一类是由单个效应蛋白行使功能(包括IIVVI型),研究最深入、应用最广泛的Cas9就属于II型;一类是由多个效应蛋白组成蛋白复合物行使功能(包括IIIIIV型)。

Cas7-11是一种最近发现的III-E亚型CRISPR-Cas相关系统,由4Cas71Cas11结构域融合形成一个大的效应蛋白,其可能同时具有核酸酶和蛋白酶活性,这也意味着它可能是原核生物的一种新型防御机制。

研究团队对Cas7-11进行了深入研究,Cas7-11Csx29各自不能切割任何东西,但在靶向RNA存在的情况下,Cas7-11就会启动并激活Csx29,进而切割Csx30Csx30抑制sigma因子(σ),sigma因子是所有RNA聚合酶的辅助因子,而Csx29蛋白酶切割Csx30后,缓解了对sigma因子的抑制。

该研究揭示了III-ECRISPR相关蛋白酶(CASP)的蛋白底物、结构和作用机制,这种CASP系统显示出了可编程的RNA激活的蛋白酶活性,可以解除Csx30sigma因子的抑制,从而调节转录反应。

CRISPR相关蛋白酶(CASP)系统通过三管齐下的策略来防御外源遗传元件(噬菌体)的入侵:1)通过Cas7-11靶向切割RNA2Csx30-CASP-σ调控转录反应;3Csx31Csx30 C端片段可能介导的第三种途径。


CRISPR相关蛋白酶(CASP)系统防御外源遗传元件的三管齐下的策略

此外,张锋团队还开发了Csx30的荧光标记工程变体,并证明了它在体外可以检测低至250飞摩尔的RNA,而无需核酸扩增,还可以应用于活细胞中的RNA转录检测。研究团队还在人类细胞中证实了这种CASP系统可以介导人类细胞中RNA激活的蛋白切割。

张锋表示,这项研究揭示了CRISPR系统在核酸酶活性之外,还能协调更广泛的细胞反应,期望对CRISPR相关酶的持续研究将发现许多有趣的、潜在有用的RNA激活的生物过程。

值得一提的是,Science 同期还发表了来自东京大学Hiroshi Nishimasu、麻省理工学院Jonathan GootenbergOmar Abudayyeh等人的题为:RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease 的研究论文,他们同时也是张锋这篇 Science 论文的共同作者。


该研究解析了Cas7-11–crRNA–Csx29复合物的冷冻电镜结构,并证明了目标RNA结合诱导Csx29的构象变化,设计了Cas7-11–Csx29–Csx30系统,用于哺乳动物细胞中的可编程RNA传感。该研究表明,Cas7-11-Csx29效应器是一种RNA依赖性核酸酶-蛋白酶系统。

研究团队表示,Cas7-11系统明显要比其他深入研究的CRISPR系统复杂得多,Cas7-11不仅仅是通过切割入侵噬菌体的遗传物质来发挥防御作用,而是通过一种更加优雅和复杂的机制,来真正保护细菌免受侵害。这些研究为理解复杂CRISPR系统打开了新的可能性,为疾病诊断和治疗带来了新的潜在工具,例如基于Cas7-11RNA传感,可以检测病人样本中的疾病特征,或限制对特定类型细胞的治疗,使药物发挥作用而不产生副作用。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5064

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7450

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7347

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