揭示新发现的CRISPR免疫系统的结构和功能

犹他州立大学生物化学家ThomsonHallmark和RyanJackson以及合作者本周在一份顶级同行评审期刊上发表了两篇开创性论文，这是一项罕见的壮举。他们的发现描述了一种新发现的CRISPR免疫系统的结构和功能，与众所周知的CRISPR系统不同，CRISPR系统会停用外来基因以保护细胞，它会关闭受感染的细胞以阻止感染。

通过这个称为Cas12a2的新系统，我们看到了一种不同于迄今为止在CRISPR系统中观察到的任何结构和功能。”

在串联论文中，USU研究人员与德国亥姆霍兹基于RNA的感染研究所、美国生物技术公司BensonHill和德克萨斯大学奥斯汀分校的同事一起报告了“Cas12a2通过RNA触发的破坏引起流产感染”的发现ofdsDNA”和“RNATargetingUndiscriminateNucleaseActivityofCRISPR-Cas12a2”发表在2023年1月4日的《自然》杂志上。该研究得到了美国卫生与公众服务部国立卫生研究院的支持。

CRISPR是“成簇规律间隔的短回文重复序列”的一个易于管理的首字母缩写词，凭借其基因编辑潜力吸引了科学家和外行人的想象力。CRISPRDNA序列和CRISPR相关(Cas)蛋白(实际上是细菌免疫系统)的研究仍然是一个年轻的领域，尽管它因其基因编辑应用和最近授予JenniferDoudna和EmmanuelCharpentier的诺贝尔奖而受到广泛关注.Jackson和Hallmark等全球研究人员破译了这些系统的基本结构以及它们运转的原因。

“我们在《自然》杂志的两篇论文中报道的研究结果历时将近六年，”杰克逊说。

在过去五年中，2类V型Cas12a2被确定为一种独特的免疫系统，它与更为人所知的CRISPR-Cas9有点相似，它与目标DNA结合并切割它——就像分子剪刀一样——有效地关闭目标基因.但是CRISPR-Cas12a2与Cas9结合的靶标不同，而且这种结合具有非常不同的效果。

“Cas12a2蛋白在与RNA结合后会发生主要的构象变化，从而为DNA破坏打开一个不分青红皂白的活性位点，”Jackson说。“Cas12a2破坏目标细胞中的DNA和RNA，导致它们衰老。”

USU团队使用冷冻电子显微镜或“冷冻EM”展示了CRISPR-Cas12a2的这一独特方面，包括其RNA触发的单链RNA、单链DNA和双链DNA的降解，从而导致自然发生的防御策略称为流产感染。

“流产感染是细菌和古生菌用来限制病毒和其他病原体传播的天然噬菌体抗性策略，”三年级博士生Hallmark说。“例如，流产感染可防止感染细胞的病毒成分复制。”

杰克逊说，该团队在切割双链DNA的过程中捕获了Cas12a2的结构。

“令人难以置信的是，Cas12a2核酸酶将通常是直的双螺旋DNA片段弯曲90度，迫使螺旋骨架进入酶促活性位点，并在那里被切割，”他说。“这是一种非同寻常的结构变化——这种现象引起了其他科学家的惊叹。”

杰克逊说，健康细胞与恶性细胞或受感染细胞之间的差异是遗传性的。

“如果可以利用Cas12a2在基因水平上识别、靶向和破坏细胞，那么潜在的治疗应用意义重大，”他说。

此外，这组论文中描述的Cas12a2的RNA诊断能力可以推动遏制多种遗传疾病影响的努力。

“我们只是触及表面，但我们相信Cas12a2可以带来改进和额外的CRISPR技术，这将极大地造福于社会，”杰克逊说。