《Science | 利用深度万亿级聚类揭示罕见CRISPR-Cas系统的功能多样性》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2023-11-25
  • 本文内容转载自“生物世界”微信公众号。原文链接: https://mp.weixin.qq.com/s/G6rBWPj47KCq-cNVcm65-Q

    2023年11月23日,CRISPR基因编辑先驱张锋在 Science 发表了题为Uncovering the functional diversity of rare CRISPR-Cas systems with deep terascale clustering 的研究论文。

    该研究开发了一种新的搜索算法——基于快速局部敏感哈希聚类算法(FLSHclust),使用该算法对三个主要的公共数据库进行挖掘,这些数据库包含各种不同寻常的细菌的数据(包括在煤矿、啤酒厂、南极湖泊和狗唾液中发现的细菌),从中识别出了188种新型CRISPR系统,并对其中4个系统进行了详细表征,这些新系统可能被用来编辑哺乳动物细胞,其脱靶效应比目前的CRISPR-Cas9系统要少,也有可能在被用于诊断或用来记录细胞内部活动。

    这项研究凸显了CRISPR前所未有的多样性和灵活性,也表明了大多数CRISPR系统是罕见的,只在不寻常的细菌和古细菌中发现。随着可用来搜索数据库的不断增长,可能还有更多罕见系统被发现。

  • 原文来源:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi1910
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  • 《Science:从结构上揭示I型CRISPR-Cas系统降解靶DNA机制》

    • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2018-07-11
    • 作为最流行的CRISPR 系统,I型CRISPR-Cas的特征是有序的靶标搜索和降解。首先,多亚基监测复合物Cascade(用于抗病毒防御的CRISPR相关复合物)识别相匹配的两侧具有最佳的前间区序列邻近基序(protospacer-adjacent motif, PAM)的双链DNA靶标,促进CRISPR RNA(crRNA)和靶DNA链之间形成异源双链体,并将非靶DNA链置换掉,从而导致在靶位点上形成R-环(R-loop)。随后,将具有解螺旋酶活性和核酸酶活性的酶Cas3特异性地招募到Cascade/R-loop上并切割和渐进性地降解靶DNA链。来自褐色嗜热裂孢菌(Thermobifida fusca, Tfu)的I-E型Cascade/R-loop和Cas3/单链DNA(ssDNA)复合物的高分辨率结构阐明了PAM识别和R-环形成机制。然而,Cas3招募、DNA切割和降解机制仍然是难以捉摸的。 在一项新的研究中,来自美国康奈尔大学和哈佛医学院的研究人员重建出TfuCascade/R-loop/Cas3(即来自褐色嗜热裂孢菌的Cascade/R-loop/Cas3)三元复合物,并利用单颗粒低温电镜技术(cryo-EM)解析出它在R-环切割前状态和R-环切割后状态下的结构。这些结果为理解I型CRISPR-Cas系统中crRNA指导的DNA降解提供了结构基础。相关研究结果发表在2018年7月6日的Science期刊上,论文标题为“Structure basis for RNA-guided DNA degradation by Cascade and Cas3”。 这些研究人员解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA链切割前状态下的分辨率为3.7埃的低温电镜图。Cas3的结合不会引起形成R-环的Cascade复合物发生进一步构象变化,这提示着Cascade-Cas3相互作用在很大程度上是一种构象捕获机制而不是一种诱导契合机制。Cas3-Cascade相互作用完全是由Cascade中的Cse1亚基介导的。Cas3对Cascade的识别是由于与Cascade/R-loop在电荷和表面轮廓上是互补的,但与Cascade的种泡状态(seed-bubble state)并不是互补的。这是因为在R-环充分形成之前,Cse1的C-末端结构域处于一种替代性方向。通过与Cse1的两个结构域进行广泛接触,Cas3能够检测Cse1的表面轮廓发生变化,从而排斥处于这样的功能状态下的Cascade。有条件地将Cas3招募到Cascade上就能够避免错误靶向仅具有部分互补性的DNA。 再者,这些研究人员提供了直接的证据表明一种底物移交机制对I-E型CRISPR干扰是至关重要的。Cas3的HD核酸酶结构域直接捕获非靶DNA链用于链切割,而且这种作用完全绕过了它的解旋酶结构域。这种底物捕获依赖于非靶DNA链中存在的柔性凸起,而且这种切割位点偏好性是由这种招募通路预先确定的。 这些研究人员进一步解析出TfuCascade/R-loop/Cas3在非靶DNA链切割后状态下的分辨率为4.7埃的结构,这就允许他们鉴定出与这种链切割反应相伴随的结构变化。这种结构揭示出由于增加的柔性,R环区域中的完整非靶DNA链消失了。一旦腺苷5'-三磷酸(ATP)水解,与PAM相邻的一半非靶DNA链自发地重新定位到Cas3中的解旋酶结构域的开口处。因此,在ATP水解时,Cas3的解旋酶结构域让非靶DNA链通过它自身并进一步进入Cas3的HD核酸酶结构域,从而进入一种渐进性DNA降解模式。 总之,这些研究人员描述了导致I-E型CRISPR干扰的分子事件的结构-功能特征。CRISPR干扰的出现在Cas3招募步骤中受到严格控制,从而降低脱靶效应。然而,当切割非靶DNA链时,I型CRISPR-Cas系统在靶标破坏方面表现优异,这是因为Cas3渐进性地降解DNA而不是停下来产生双链DNA断裂。这些特征可能解释着为什么I型CRISPR-Cas系统进化成为自然界中最常见的CRISPR-Cas系统。观察I型CRISPR-Cas系统是否可能转化为一种具有与Cas9不同的实用性的基因组编辑工具将是令人关注的。
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    • 来源专题:生物安全
    • 编译者:闫亚飞
    • 发布时间:2022-11-28
    • 据生物世界公众号11月6日消息,美国麻省理工学院的研究团队确定了Cas7-11相关蛋白酶(CASP)的蛋白底物、结构和作用机制,揭示了CRISPR系统在核酸酶之外的新功能,并开发出可在体外和人类细胞中检测RNA的RNA传感。Cas7-11是一种最近发现的III-E亚型CRISPR-Cas相关系统,或同时具有核酸酶和蛋白酶活性。该研究为理解复杂CRISPR系统打开了新的可能性,为疾病诊断和治疗带来了新的潜在工具,相关研究成果发表于Science期刊。