Nature：王艷麗團(tuán)隊(duì)等揭示新型anti-CRISPR蛋白的作用機(jī)制

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來(lái)源：生物世界

2024-07-05

2024年7月3日，加拿大多倫多大學(xué) Alan Davidson 團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王艷麗團(tuán)隊(duì)（Chantel Trost博士為論文第一作者）合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：An anti-CRISPR that pulls apart a CRISPR–Cas complex 的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了一種新型anti-CRISPR蛋白——AcrIF25，能夠通過(guò)解離I-F型CRISPR-Cas復(fù)合體（Csy復(fù)合體）的方式抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)的活性，為CRISPR-Cas系統(tǒng)的精確控制提供了新思路。

CRISPR-Cas系統(tǒng)是一種強(qiáng)大的基因編輯工具，廣泛存在于細(xì)菌和古菌中，用于防御外源DNA的入侵。然而，為了平衡這種強(qiáng)大的防御機(jī)制，一些細(xì)菌和古菌也進(jìn)化出了能夠抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)活性的蛋白質(zhì)，被稱為anti-CRISPR蛋白（Acr）。目前，已發(fā)現(xiàn)近百種anti-CRISPR蛋白，它們通過(guò)多樣化的機(jī)制抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)的能力，包括模擬底物、阻礙蛋白與crRNA的相互作用以及修飾關(guān)鍵氨基酸等。

2024年7月3日，加拿大多倫多大學(xué) Alan Davidson 團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所王艷麗團(tuán)隊(duì)（Chantel Trost博士為論文第一作者）合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：An anti-CRISPR that pulls apart a CRISPR–Cas complex 的研究論文。

該研究發(fā)現(xiàn)了一種新型anti-CRISPR蛋白——AcrIF25，能夠通過(guò)解離I-F型CRISPR-Cas復(fù)合體（Csy復(fù)合體）的方式抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)的活性，為CRISPR-Cas系統(tǒng)的精確控制提供了新思路。

An anti-CRISPR that pulls apart a CRISPR–Cas complex 研究論文

在I-F型CRISPR-Cas系統(tǒng)中，效應(yīng)復(fù)合體稱為Csy復(fù)合體，由CRISPR RNA（crRNA）和4種Cas蛋白組成。Cas5和Cas8形成異二聚體與crRNA 5'端結(jié)合，Cas6與crRNA 3'端的發(fā)卡結(jié)構(gòu)結(jié)合，六個(gè)Cas7亞基沿著crRNA中間排列組成復(fù)合體的骨架結(jié)構(gòu)。Csy復(fù)合體特異性識(shí)別外源核酸，并招募Cas3核酸酶將其降解。目前，已知的大多數(shù)I-F型Acr蛋白通過(guò)直接與Csy復(fù)合體結(jié)合，從而抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)生物信息學(xué)的方法鑒定出了一種新的anti-CRISPR蛋白，命名為AcrIF25。噬菌斑實(shí)驗(yàn)顯示，AcrIF25能夠顯著抑制銅綠假單胞菌I-F型CRISPR-Cas系統(tǒng)的活性。為了確認(rèn)AcrIF25是否能夠直接結(jié)合Csy復(fù)合體，研究人員將純化的AcrIF25 與Csy復(fù)合體混合并進(jìn)分子排阻凝膠層析。令人驚訝的是，AcrIF25沒(méi)有與完整的Csy復(fù)合體結(jié)合，而是與其中的Cas7亞基結(jié)合，并將Cas7從完整的Csy復(fù)合體中分離出來(lái)，留下Csy復(fù)合體的其余組分（Cas5、Cas6、Cas8 和 crRNA）。

為了進(jìn)一步闡明AcrIF25作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)解析了AcrIF25以及Cas7:AcrIF25復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)。AcrIF25的N端結(jié)構(gòu)為典型的RHH折疊，C端由5個(gè)α-螺旋形成螺旋束。AcrIF25的C端結(jié)構(gòu)域與Cas7形成大面積的相互作用，通過(guò)分析完整 Csy 復(fù)合體中兩個(gè)相鄰 Cas7 亞基與 crRNA 之間的相互作用，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) AcrIF25結(jié)合Cas7的區(qū)域覆蓋了Csy 復(fù)合體中相鄰Cas7之間的結(jié)合界面以及Cas7與crRNA的結(jié)合界面，AcrIF25正是通過(guò)結(jié)合這些關(guān)鍵位置從而阻止Cas7與其他Cas7亞基和crRNA相互作用，進(jìn)而使得整個(gè)復(fù)合體解體。這種“拆除”效應(yīng)使得CRISPR-Cas系統(tǒng)無(wú)法有效地識(shí)別并切割外源DNA。

此外，以前發(fā)現(xiàn)的能夠解離大分子復(fù)合體的蛋白質(zhì)需要利用ATP 水解提供的能量。而AcrIF25不包含ATP結(jié)合或水解相關(guān)的結(jié)構(gòu)域，生化實(shí)驗(yàn)顯示，AcrIF25將Cas7從Csy復(fù)合體中解離出來(lái)不需要水解ATP提供額外的能量，顯示了AcrIF25機(jī)制的獨(dú)特性。

AcrIF25解離Csy復(fù)合體的分子機(jī)制

綜上所述，AcrIF25的發(fā)現(xiàn)不僅為理解CRISPR-Cas系統(tǒng)的抑制機(jī)制提供了新的見(jiàn)解，而且為開(kāi)發(fā)新型的生物技術(shù)工具提供了重要的啟示。隨著對(duì)AcrIF25及其類似Acr蛋白的進(jìn)一步研究，有望開(kāi)發(fā)出更加高效、安全和可控的基因編輯和基因治療技術(shù)。

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