来自维尔茨堡和的研究人员发现了新型CRISPR基因剪刀

像人类一样，细菌和古细菌也会受到病毒的攻击。这些微生物已经发展出针对其病原体的免疫防御策略。CRISPR-Cas 系统等细菌防御系统具有多种蛋白质和功能，可帮助细菌保护自身免受外来入侵者的侵害。这种防御基于一个共同的机制：作为“向导 RNA”的 CRISPR 核糖核酸 (crRNA) 有助于检测外来基因组的区域，例如病毒的 DNA，以进行靶向切割。由 crRNA 引导的 CRISPR 相关 (Cas) 核酸酶可以像一把剪刀一样切割其目标：人类在许多技术中利用的自然策略。

“考虑到不同的核酸酶已被很好地转化为新技术和改进技术，这一领域的任何发现都可能为社会带来新的好处，”Chase Beisel 说，他描述了他在维尔茨堡亥姆霍兹研究所基于 RNA 的感染研究实验室的研究动机(希里)。该研究所是 Braunschweig Helmholtz 感染研究中心与维尔茨堡 Julius-Maximilians-Universität (JMU) 合作的一个站点。Beisel 与 Benson Hill, Inc.(密苏里州)的 Matthew Begemann 和犹他州立大学的 Ryan Jackson 一起发起了针对一组特定 CRISPR-Cas 系统的当前研究。结果今天发表在著名的《自然》杂志上并伴随着第二个团队的详细结构分析，该团队也由 Ryan Jackson 和德克萨斯大学的 David Taylor 领导。

不同于任何其他已知的 CRISPR 核酸酶

“我们正在探索最初与 Cas12a 聚集在一起的 CRISPR 核酸酶，这些核酸酶通过识别和切割侵入性 DNA 来保护细菌。一旦我们确定了更多的它们，我们就意识到它们与 Cas12a 的差异足以保证进行更深入的研究，”该研究的第一作者 Oleg Dmytrenko 说道。“这项探索让我们发现，这些我们称为 Cas12a2 的核酸酶不仅与 Cas12a 有很大不同，而且与任何其他已知的 CRISPR 核酸酶也有很大不同。”

关键区别在于它们的防御作用机制。当 Cas12a2 识别侵入性 RNA 时，核酸酶会对其进行切割，但也会破坏细胞内的其他 RNA 和 DNA，从而损害其生长并限制感染的传播。“一般来说，这种中止感染的防御策略在细菌中是已知的，”HIRI 博士后 Oleg Dmytrenko 说。“其他一些 CRISPR-Cas 系统以这种方式工作。然而，以前没有观察到一种基于 CRISPR 的防御机制，它依赖于单一核酸酶来识别入侵者并降解细胞 DNA 和 RNA，”这位科学家说。

调查结果详细

Cas12a2 的蛋白质序列和结构将此核酸酶与 Cas12a 区分开来。由原型间隔侧翼序列 (PFS) 激活，Cas12a2 识别与其引导 RNA 互补的目标 RNA。以 RNA 为靶点会触发侧链核酸裂解，从而降解 RNA、单链 DNA 和双链 DNA。这种活动导致细胞停滞，可能是通过破坏细胞中的 DNA 和 RNA，从而损害生长。Cas12a2 可用于分子诊断和 RNA 生物标志物的直接检测，正如原理验证所证明的那样。

破坏性的裂缝

在同一期《自然》杂志上撰写配套论文的第二个团队对核酸酶的进一步结构分析表明，Cas12a2 在免疫反应的不同阶段与其 RNA 靶标结合后发生了重大的结构变化。反过来，这会导致核酸酶中出现一个暴露的裂缝，该裂缝可以切碎它遇到的任何核酸——无论是 RNA、单链 DNA 还是双链 DNA。该研究还发现了使 Cas12a2 发生突变以改变核酸酶在识别其 RNA 靶标后降解的核酸的方法。这些细节为未来开辟了潜在的广泛技术应用。

资金

该研究得到了欧洲研究委员会(ERC Consolidator 奖授予 Chase Beisel)、德国联邦颠覆性创新署 (SPRIND)、亥姆霍兹感染研究中心的 Pre-4D 计划以及国家基金的资助卫生研究院和韦尔奇基金会。