LbuCas13a-crRNA-target RNA 三元復合物的晶體結構

7 月 27 日，國際頂尖期刊《細胞》（Cell）雜志在線發(fā)表了中國科學院生物物理研究所王艷麗組和章新政組在 VI 型 CRISPR-Cas 系統(tǒng)效應蛋白 Cas13a（亦稱 C2c2）結構研究中取得的新進展。該研究成功解析了 Leptotrichia buccalis （Lbu） 細菌中 Cas13a 與 crRNA （CRISPR-RNA） 及其 target RNA 三元復合物 3.08Å的晶體結構、Cas13a 與 crRNA 二元復合物 3.2Å的電鏡結構。研究結果證實，target RNA 的結合導致 LbuCas13a 的兩個發(fā)揮 RNA 干擾功能的 HEPN 結構域發(fā)生構象變化，從而激發(fā) LbuCas13a 非特異性地切割任意單鏈 RNA 的酶切活性。該成果為研究 Cas13a 發(fā)揮 RNA 酶活性的分子機制提供了重要的結構生物學基礎。該研究是王艷麗課題組繼今年 1 月于《細胞》首次報道 Leptotrichia shahii（Lsh）細菌中 Cas13a 與 crRNA 二元復合物以及 Cas13a 自由狀態(tài)下的晶體結構后的又一重大突破。

幾乎所有的古菌和約 50% 的細菌都具有 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，用以抵抗病毒和質粒的侵染。CRISPR-Cas 系統(tǒng)分為兩大類，Cas13a 是第二大類 VI 型系統(tǒng)中的效應蛋白，具有 RNA 介導的 RNA 酶切活性，是目前第二大類 CRISPR-Cas 系統(tǒng)發(fā)現的唯一能夠降解 RNA 的蛋白（Cas9, Cpf1, C2c1 均是 RNA 介導的 DNA 核酸內切酶），對開發(fā)研究 RNA 工具，擴展 CRISPR 系統(tǒng)在基因編輯方面的運用具有重大價值。

在該研究中，研究人員利用 X -ray 晶體學的方法成功解析了 LbuCas13a-crRNA-target RNA 的三元復合物結構（3.08Å）。通過冷凍電鏡技術，獲得了 3.2Å LbuCas13a-crRNA 的二元復合物結構。結構顯示，Cas13a 具有 REC 和 NUC 兩個葉片，其中 NUC 葉片包含兩個 HEPN 結構域、Helical- 2 結構域以及連接兩個 HEPN 結構域的連接結構域，兩個 HEPN 結構域組成了 Cas13a 切割 target RNA 的活性區(qū)域。crRNA 識別序列互補的目的 RNA，并與之結合形成雙鏈 RNA 并被 NUC 葉片包圍。同時，雙鏈 RNA 的形成引起 crRNA 和 Cas13a 蛋白的構象變化，促使兩個 HEPN 結構域相互靠近，進而激活 Cas13a 蛋白。研究人員通過結構和功能研究證明，由 crRNA 和 target RNA 激活的 Cas13a 能切割任意單鏈的 RNA。

該研究發(fā)現為 CRISPR-Cas13a 系統(tǒng)的進一步開發(fā)提供了可靠的結構基礎，對深入理解細菌抵御病毒入侵的分子機制提供了強有力的證據，并將對病毒引起的疾病的預防、檢測、控制與治療產生重大意義，特別是基于 Cas13a 高效的 RNA 酶切活性，在應用于各類重大疾病的快速檢測具有十分廣闊的前景。