探索基因組編輯的新工具

楊智

[本刊訊]哈爾濱工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院黃志偉教授的課題組運用結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)研究手段，揭示了一種新的CRISPR基因修飾系統(tǒng)進行分子識別與剪切的結(jié)構(gòu)及機制。相關(guān)成果發(fā)表在Nature.2016，532：522-526。

CRISPR是細菌或古菌用以識別入侵病毒遺傳物質(zhì)的短的核酸重復(fù)序列，它能與多種核酸酶（其中之一為Cas9）協(xié)同，起到識別并摧毀入侵病毒DNA的作用。已有研究發(fā)現(xiàn)，CRISPR-Cas9系統(tǒng)可轉(zhuǎn)用于基因組編輯，成功實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)上的基因靶向修飾，效率大大超過以往的基因組編輯工具。2015年9月，又有研究發(fā)現(xiàn)了核酸酶Cpf1與CRISPR組成的CRISPR-Cpf1系統(tǒng)，它比起CRISPR-Cas9有諸多特點和優(yōu)勢，可望發(fā)展成更加高效的基因組編輯工具。

黃志偉課題組首先解析了結(jié)合CRISPR RNA（crRNA）的Cpfl復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Cpfl是呈三角形的單體，有一個帶正電荷的凹槽位于其中央。crRNA通過發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成高度扭曲的構(gòu)象，緊密結(jié)合于Cpfl的核酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域。與底物DNA配對的crRNA 3末端位于Cpfl凹槽的一端。跟結(jié)合Cas9的情形十分不同，結(jié)合Cpfl的erRNA引導(dǎo)序列部分沒有電子密度，表明其在沒有底物結(jié)合的狀態(tài)下跟Cpfl的結(jié)合比較松散。crRNA的結(jié)合則使Cpfl發(fā)生顯著的構(gòu)象變化，而且僅僅crRNA的重復(fù)序列部分就能讓Cpfl的構(gòu)象發(fā)生巨大改變。結(jié)構(gòu)研究又顯示，Cpfl起核酸酶作用，它的3個關(guān)鍵催化殘基側(cè)鏈上的氮原子位于同平面，并與被處理位點的磷酸基團形成氫鍵，提示Cpfl把crRNA前體剪切成crRNA是一個堿性催化的反應(yīng)。

該項研究對于把CRISPR.Cpfl系統(tǒng)改造為特異高效的基因組編輯新工具，提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。