发现新型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，”ChaseBeisel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BraunschweigHelmholtz感染研究中心与维尔茨堡Julius-Maximilians-Universität(JMU)合作的一个站点。Beisel与BensonHill,Inc.(密苏里州)的MatthewBegemann和美国犹他州立大学的RyanJackson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RyanJackson和德克萨斯大学的DavidTaylor领导。

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，我们就意识到它们与Cas12a的差异足以保证更深入的研究。这一探索使我们发现，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OlegDmytrenko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。”

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。