中科院团队解析新一代CRISPR系统

作者:叶予

来源:生物通

时间:2016-07-28

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导读:中科院生物物理所和纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究人员对此进行了深入研究。他们在七月二十二日的Cell Research杂志上发表文章,揭示了CRISPR-Cpf1识别目标DNA的独特机制。

CRISPR是规律成簇的间隔短回文重复(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)的缩写。CRISPR与内切酶Cas9是一对好基友,细菌依靠它们组成的防御系统对抗外来侵略者。CRISPR-Cas9能够在引导RNA的指引下,靶标并切割入侵者的遗传物质。2012年研究者们利用这一特点,将CRISPR系统发展成了强大的基因组编辑工具。该系统使用简单而且扩展性强,很快便成为了生物学领域最耀眼的明星。


2015年人们发现,CRISPR还有一个好朋友——Cpf1。CRISPR-Cpf1也能在crRNA的引导下在人类细胞中剪切目标DNA,被称为是新一代的CRISPR基因组编辑系统。不过人们对这个系统的作用机制还知之甚少。


中科院生物物理所和纪念斯隆-凯特琳癌症中心的研究人员对此进行了深入研究。他们在七月二十二日的Cell Research杂志上发表文章,揭示了CRISPR-Cpf1识别目标DNA的独特机制。文章的通讯作者是中科院生物物理所的高璞(Pu Gao)研究员和纪念斯隆-凯特琳癌症中心的Dinshaw J Patel。


在CRISPR-Cas9系统中,预先形成的A型RNA种子序列和蛋白质PAM互作裂口(cleft)是Cas9形成DNA识别结构所必需的。那么,CRISPR-Cpf1系统是否采用类似的机制识别目标DNA呢?为此,研究人员解析了氨基酸球菌属Cpf1(AsCpf1)与crRNA和目标DNA形成复合体时的晶体结构。


今年四月,哈尔滨工业大学黄志伟教授的课题组发布了毛螺旋菌Cpf1(LbCpf1)与crRNA形成复合物时的晶体结构。现在,高璞研究员及其同事仔细比较了AsCpf1-crRNA-DNA复合物与LbCpf1-crRNA复合物的结构,鉴定了Cpf1识别目标的一个独特机制。


研究人员发现,Cpf1-cRNA二元复合体中的种子序列是无序的,但三元复合体中的种子序列是有序的。此外,在Cpf1结合目标DNA的时候,PAM互作裂口(cleft)会经历一个“从开到关”的构象改变。这种构象变化诱导Cpf1发生内部结构改变,以容纳有序的A型种子RNA。研究指出,Cpf1具有不同于Cas9的独特目标识别机制。


前不久,麻省总医院、哈佛医学院的研究人员解析了Cpf1核酸酶在人类细胞中的全基因组特异性。研究结果发布在6月27日的《自然生物技术》(Nature Biotechnology)杂志上。麻省总医院病理学系研究员及研究副主任J. Keith Joung博士及研究员Benjamin P Kleinstiver博士是这篇论文的共同通讯作者。近年,Joung在CRISPR研究中取得了大量重要的研究成果。


《自然》(Nature)杂志此前发布的一篇研究论文,描绘了CRISPR-Cpf1系统的分子细节,为实现其基因编辑应用奠定了基础。领导这一研究的任职于德国马克思普朗克感染生物学研究所和瑞典于默奥大学的Emmanuelle Charpentier教授。Charpentier与加州大学的Jennifer Doudna,哈佛-麻省理工大学Broad研究所的张锋博士一致被科学界公认为是CRISPR/Cas9技术开发中的重量级人物。


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