CRISPR-Cas13系統(tǒng)能夠靶向編輯RNA，被稱為“RNA魔剪”。隨著科學(xué)家們研究的深入，其家族成員不斷壯大。近日，發(fā)表在《自然·通訊》的一項成果，揭開了“RNA魔剪”家族最年輕成員“CRISPR-Cas13d”的神秘面紗。
這項成果來自福建師范大學(xué)歐陽松應(yīng)教授團隊。該團隊解析了瘤胃球菌的Cas13d蛋白（簡稱UrCas13d）與crRNA二元復(fù)合物高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，揭示了UrCas13d加工前體crRNA的酶活性關(guān)鍵位點，鑒定了crRNA的間隔序列和靶向RNA之間的錯配耐受性等之前尚未研究清楚的問題。
“這就像飛機設(shè)計工程師獲得了設(shè)計并制造一架飛機的圖紙與工序，為修理或設(shè)計出更出色的飛機提供了藍圖。”歐陽松應(yīng)表示，這為進一步改造Cas13d作為核酸編輯及檢測工具，并發(fā)揮其在解決人類疾病與健康等問題上的應(yīng)用潛力，提供了扎實的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
“RNA魔剪”應(yīng)用潛力巨大
CRISPR-Cas系統(tǒng)是一種原核生物（細菌和古細菌）的免疫防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)表達的非編碼RNA（crRNA）及其相關(guān)Cas蛋白組成的復(fù)合物，使得原核生物能夠識別并且“撕碎”入侵噬菌體的核酸物質(zhì)（DNA或者RNA），用以保持自身遺傳物質(zhì)的“純潔”，在原核生物的進化中起到重要作用。
“正是由于這種精確地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas系統(tǒng)被開發(fā)成高效的基因編輯工具，可以對遺傳物質(zhì)DNA或RNA，進行依賴核酸序列信息的精確識別和切割。”歐陽松應(yīng)說，其中名聲在外的CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以高效地編輯DNA序列，用于糾正個體細胞內(nèi)的基因缺陷，給眾多遺傳疾病和罕見病治療帶來了希望，該系統(tǒng)已經(jīng)從實驗室研究階段進入到臨床研究階段，具有治愈或預(yù)防多種人類疾病的潛力。
近年來，源于生物學(xué)研究及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，一類可以特異地靶向檢測與編輯RNA的CRISPR-Cas系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)并報道出來，命名為Cas13（包括了a、b、c、d四個家族成員）系統(tǒng)。這一針對RNA的編輯工具可以在RNA水平調(diào)節(jié)基因的功能，而不會對基因本身造成永久性改變。
2018年4月，美國索爾克研究所一個課題組和美國Arbor生物技術(shù)公司的課題組分別報道了通過生物信息學(xué)方法篩選，并經(jīng)過功能實驗驗證的新型Cas蛋白，命名為Cas13d。作為最年輕的成員，Cas13d與其他“兄弟姐妹”在功能上有著相似之處，但更有其獨特之處。
“關(guān)鍵在于大小。”歐陽松應(yīng)介紹，Cas13d的蛋白序列長度約為930個氨基酸，比其他Cas13家族成員明顯偏小，比Cas9更是小33%，這種尺寸使其更容易包裝到容量較小的載體中，如腺相關(guān)病毒（AAV）載體，因此在開發(fā)新藥、新材料和新的診斷方法上具有廣泛應(yīng)用潛力。
獲得新型“魔剪”高分辨率晶體結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)生物學(xué)是分子生物學(xué)、生物化學(xué)及生物物理學(xué)的分支學(xué)科，關(guān)心的是生物大分子（例如蛋白質(zhì)分子和核酸分子）的分子三維結(jié)構(gòu)（包括構(gòu)架和形態(tài)），獲得它們的結(jié)構(gòu)信息，并研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。
“所有的生命活動都是通過各種生物大分子的相互作用來實現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)生物學(xué)能夠解釋生物大分子的構(gòu)象和相互作用的方式，從原子水平揭示生命過程的詳細機制，使人們‘知其然而知其所以然’。”歐陽松應(yīng)告訴記者，目前結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究范圍已經(jīng)涉及到大多數(shù)重要的生命活動，分子生物學(xué)的每一個前沿突破都與結(jié)構(gòu)生物學(xué)密切相關(guān)。
在本研究中，歐陽松應(yīng)課題組將結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生命科學(xué)前沿研究課題結(jié)合，解析了UrCas13d蛋白和crRNA二元復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，可以直觀看到每一個原子的位置及它們之間的相互作用細節(jié)信息。
“當入侵者到來，CRISPR-Cas系統(tǒng)會在‘指揮官’（前導(dǎo)序列）的調(diào)控下轉(zhuǎn)錄出兩種‘防御材料’，其中一種就是前體crRNA，另一種是我們研究的Cas蛋白。”歐陽松應(yīng)比喻說。這一研究清楚地解釋了Cas13d這把“新型魔剪”，究竟采用了什么樣的空間結(jié)構(gòu)布局來加工前體crRNA，并如何結(jié)合成熟的crRNA，形成具有識別靶向RNA能力的功能復(fù)合物，從而進一步研究清楚該蛋白具有的crRNA依賴的RNase活性的分子機理。
相關(guān)研究表明，Cas13d可做為一種強大RNA編輯工具，用于糾正老年癡呆癥患者細胞中引起疾病的蛋白質(zhì)失衡。同時，Cas13d可以作為一種可操控的RNA結(jié)合模塊，有效靶向細胞內(nèi)的RNA轉(zhuǎn)錄物，為轉(zhuǎn)錄組工程和疾病治療提供了一個通用平臺。
“該研究揭開了CRISPR-Cas13d系統(tǒng)的神秘面紗，對其技術(shù)機制特點有了更深刻理解，有助于這項技術(shù)更廣泛地應(yīng)用，從而造福人類。”歐陽松應(yīng)說。
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