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  • 發布時間:2014-05-19 10:17 原文鏈接: Science:CRISPR/Cas9大革命

            DNA編輯技術CRISPR近年來風生水起,已經開始取代了其它基因組編輯工具,如鋅指核酸酶和 TALENs等。不過目前科學家們對于這一技術中的RNA引導核酸內切酶:Cas9了解的還不夠多,如果能更精確的掌握這種酶在CRISPR系統中如何發揮作用的,將能提高這一技術的使用效率和特異性。

      5月16日Science雜志發表了題為“Cas9 Targeting and the CRISPR Revolution”的綜述性文章,指出近期的一些生化試驗和結構研究有助于解析Cas9這種關鍵酶,這些研究成果為未來合成生物學,轉化醫學研究,以及新一代基因組工程中的新應用奠定了基礎。

      CRISPR本身是一種防御系統,用以保護細菌和古細菌細胞不受病毒的侵害。在這些生物基因組中的CRISPR位點能表達與入侵病毒基因組序列相匹配的小分子RNA 。當微生物感染了這些病毒中的一種,CRISPR RNA就能通過互補序列結合病毒基因組,并表達CRISPR相關酶,也就是Cas,這些酶都是核酸酶,能切割病毒DNA ,阻止病毒完成其功能。

      將CRISPR/ Cas系統用于其它非細菌細胞需要滿足兩個條件:一個Cas酶,用于切斷靶標DNA,比如目的基因中的DNA片段,另外一個就是稱為導向RNA(gRNA)的RNA分子,這種分子能通過互補結合靶標。

      其中Cas酶至關重要,為了能更好的利用這一技術工具,不少實驗室解析了這種酶的精確分子機制,探索其如何靶向和作用于DNA的。近期Sternberg等人就確定了Cas9在病毒感染過程中是如何在RNA序列的引導下識別和降解外源DNA,以及在動物和植物細胞中誘導位點特異性遺傳改變的。

      研究人員通過結合單分子成像和大量的生化試驗,證實Cas9的基因組編輯能力是通過稱作為“PAM”( protospacer adjacent motif)的短DNA序列來實現的。這一研究揭示了PAM的兩個主要功能,解釋了它對于Cas9能夠靶向和切割與導向RNA相匹配的DNA序列如此至關重要的原因。在外源DNA的靶向位點附近存在PAM,而宿主基因組的這些靶向位點則缺乏PAM,使得Cas9能夠精確區分必須降解的非自身DNA和幾乎完全相同的自身DNA。此外,存在PAM也是激活Cas9酶的必要條件。

      研究人員指出,Cas9只在識別PAM后才利用RNA–DNA堿基配對來解讀DNA尋找匹配的序列,這樣避免了意外地靶向細菌自身基因組中的匹配位點。然而,即使Cas9以某種方式與自身基因組中的一段匹配序列錯誤地結合,沒有PAM也無法觸發催化核酸酶的活性。利用這種DNA解讀機制,PAM提供了兩個冗余的檢查點,確保Cas9不會錯誤地破壞它自身的基因組DNA。

      此外,在結構研究方面,瑞士蘇黎世大學、美國加州大學伯克利分校等處的研究人員今年2月首次解析出酶Cas9的詳細三維結構圖:研究人員利用X射線晶體分析法獲得兩種主要類型的Cas9酶的2.6埃和2.2埃分辨率的晶體結構圖。然后利用單顆粒電子顯微術(single-particle electron microscopy)揭示出Cas9與它的導向RNA(guide RNA, gRNA)如何合作從而與靶DNA序列相互作用。

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      結構分析顯示Cas9具有相同的結構核心,這個結構核心的特征為一種具有兩個主葉(major lobe)——一個核酸酶結構域葉和一個α-螺旋葉---的蛤蜊形狀(clam-shaped)的結構。這兩個主葉含有保守性的裂縫,而這些裂縫在核酸結合中發揮功能。

      還有來自麻省理工等處的研究人員首次報道的Cas9復合體的高分辨率圖片,從中揭示出這種Cas9復合體的勞動分工。

      研究人員發現Cas9由兩個裂片(lobe)組成:一個裂片參與識別向導RNA和靶DNA組分,另一個裂片負責切割靶DNA,導致雙鏈DNA斷裂從而讓靶基因失去功能。而且他們也發現Cas9與導向RNA之間的界面上的關鍵性結構,當Cas9準備切割靶DNA鏈時,這些結構允許Cas9在導向RNA和靶DNA周圍自我組裝。

      這些生化機理和結構上的重要成果將有助于解決CRISPR系統應用中的一些問題,從而更好的改進CRISPR技術,滿足科學家們的要求。

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