中科院學(xué)者Nature子刊揭示anti-CRISPR沉默CRISPR-Cas9系統(tǒng)的分子機(jī)理

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來源：生物通

2019-07-09

CRISPR/Cas系統(tǒng)是廣泛存在于細(xì)菌和古菌中的抵抗病毒和外源質(zhì)粒入侵的獲得性免疫防御系統(tǒng)。CRISPR-Cas系統(tǒng)分為兩大類。

第一大類CRISPR-Cas系統(tǒng)由多亞基組成的效應(yīng)復(fù)合物（如Cascade，Csm complex等）發(fā)揮功能；第二大類是由單個(gè)效應(yīng)蛋白（如Cas9, Cas12，Cas13等）來發(fā)揮功能。Cas9具有RNA介導(dǎo)的DNA內(nèi)切酶和RNA內(nèi)切酶活性。由于可以特異性識(shí)別、結(jié)合、切割DNA，且具有可編程性，Cas9被廣泛運(yùn)用于基因編輯和基因表達(dá)調(diào)控領(lǐng)域。

2017年，Karen Maxwell課題組報(bào)道了3個(gè)來自于致病菌Neisseria meningitides 的anti-CRISPR蛋白，并命名為AcrIIC1，AcrIIC2，AcrIIC3。這是首次發(fā)現(xiàn)的可以抑制CRISPR-Cas9系統(tǒng)的anti-CRISPR蛋白。結(jié)構(gòu)和功能研究表明，AcrIIC1通過和Cas9的HNH 結(jié)構(gòu)域催化中心結(jié)合，抑制Cas9的基因編輯活性。

中國科學(xué)院生物物理研究所王艷麗課題組和加拿大多倫多大學(xué)Karen Maxwell課題組的合作論文“Inhibition of CRISPR-Cas9 ribonucleoprotein complex assembly by anti-CRISPR AcrIIC2” 在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志在線發(fā)表。

這項(xiàng)工作報(bào)道了2.45埃的apo AcrIIC2和2.28埃的結(jié)合了Neisseria meningitides Cas9 (Nme1Cas9) BH domain的AcrIIC2復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)闡述了anti-CRISPR蛋白AcrIIC2沉默CRISPR-Cas9系統(tǒng)的分子機(jī)理。王艷麗課題組一直致力于CRISPR-Cas系統(tǒng)抗病毒作用機(jī)理的研究，前期研究揭示了一系列重要的CRISPR-Cas系統(tǒng)的作用機(jī)理（Nature 2014, Cell 2015, Cell Res. 2016, Cell 2017a, Cell 2017b, Mol. Cell 2017, Cell 2018, Mol. Cell 2019, Cell 2019）。

該研究中，研究人員通過生化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AcrIIC2和Nme1Cas9結(jié)合后，可以抑制sgRNA（由crRNA和tracrRNA融合而成）的結(jié)合，從而使Nme1Cas9的功能被抑制。研究人員隨后解析了2.45埃的apo狀態(tài)AcrIIC2晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)AcrIIC2應(yīng)該是一個(gè)dimer。兩個(gè)AcrIIC2結(jié)合形成一個(gè)帶負(fù)電荷的口袋，這提示AcrIIC2可能和帶正電荷的BH domain結(jié)合，從而發(fā)揮抑制功能。研究人員將復(fù)合物Nme1Cas9-AcrIIC2用蛋白酶預(yù)處理，收到了分辨率高達(dá)2.28埃的晶體衍射數(shù)據(jù)。解出來AcrIIC2 與Nme1Cas B H復(fù)合物結(jié)構(gòu)；功能實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證AcrIIC2和sgRNA競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合Nme1Cas9 BH 結(jié)構(gòu)域。

王艷麗和Karen Maxwell為論文的共同通訊作者。Karen Maxwell課題組的Annoj Thavalingam、Bianca Garcia，王艷麗課題組的博士生程志、黃雪為論文的共同第一作者。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金以及中科院的資助，上海同步輻射光源（SSRF）為該研究提供了重要的技術(shù)支持。

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