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像人類一樣，細(xì)菌和古生菌也會(huì)受到病毒的攻擊。這些微生物已進(jìn)化出自己的免疫防御策略，以對(duì)抗它們的病原體。細(xì)菌防御系統(tǒng)，如CRISPR-Cas系統(tǒng)，具有多樣化的蛋白和功能，幫助細(xì)菌保護(hù)自己免受外來入侵者入侵。 這種免疫防御基于一個(gè)共同的機(jī)制：CRISPR核糖核酸（CRISPR ribonucleic acid, crRNA）作為“向?qū)NA（gRNA）”，幫助檢測(cè)外來基因組（比如病毒DNA）的區(qū)域，以便進(jìn)行靶向切割。由crRNA指導(dǎo)的CRISPR相關(guān)（Cas）核酸酶可以像一把剪刀一樣切割它的靶標(biāo)：這是人類在許多技術(shù)中利用的一種自然策略。
美國(guó)猶他州立大學(xué)的生物化學(xué)學(xué)者Thomson Hallmark和Ryan Jackson與他們的合作者一起，發(fā)表了兩篇具有開創(chuàng)性的論文。他們的研究結(jié)果描述了一種新發(fā)現(xiàn)的CRISPR-Cas免疫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，與更知名的讓外來基因滅活來保護(hù)細(xì)胞的CRISPR-Cas系統(tǒng)不同，這種新的系統(tǒng)關(guān)閉受感染的細(xì)胞來阻擋感染。相關(guān)研究結(jié)果于2023年1月4日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題分別為“Cas12a2 elicits abortive infection through RNA-triggered destruction of dsDNA”和“RNA targeting unleashes indiscriminate nuclease activity of CRISPR–Cas12a2”。
Jackson說，“通過這種稱為CRISPR-Cas12a2的新系統(tǒng)，我們觀察到了它的結(jié)構(gòu)和功能與迄今為止在CRISPR-Cas系統(tǒng)中觀察到的結(jié)構(gòu)和功能都不同。” 作為第一篇論文第一作者的Oleg Dmytrenko博士說，“我們正在探索最初與Cas12a歸類在一起的CRISPR核酸酶，這類核酸酶通過識(shí)別和切割侵入性DNA來保護(hù)細(xì)菌。一旦我們發(fā)現(xiàn)了更多的它們，我們就意識(shí)到它們與Cas12a有足夠的不同，可以進(jìn)行更深入的研究。這種探索使我們發(fā)現(xiàn)這些我們稱之為Cas12a2的核酸酶，它們不僅與Cas12a有很大的不同，而且與任何其他已知的CRISPR核酸酶也有很大的不同?！?/p> 關(guān)鍵的區(qū)別在于它們的防御行動(dòng)機(jī)制。當(dāng)Cas12a2識(shí)別入侵的RNA時(shí)，該核酸酶會(huì)對(duì)它進(jìn)行切割，但也能破壞細(xì)胞內(nèi)的其他RNA和DNA，破壞該細(xì)胞的生長(zhǎng)并限制感染的擴(kuò)散。Dmytrenko說，“一般來說，這種稱為頓挫性感染的防御策略在細(xì)菌中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。其他一些CRISPR-Cas系統(tǒng)以這種方式工作。然而，一種基于CRISPR的防御機(jī)制，依靠單一的核酸酶來識(shí)別入侵者并降解細(xì)胞DNA和RNA，以前還沒有被觀察到?！?/p> Cas12a2的蛋白序列和結(jié)構(gòu)將這種核酸酶與Cas12a區(qū)分開來。在一種前間隔序列側(cè)翼位點(diǎn)（protospacer-flanking sequence, PFS）的激活下，Cas12a2能識(shí)別與它的gRNA互補(bǔ)的靶RNA。靶向靶RNA會(huì)引發(fā)附帶的核酸裂解，降解RNA、單鏈DNA和雙鏈DNA。這種活性導(dǎo)致細(xì)胞停滯，可能是通過破壞細(xì)胞中的DNA和RNA，從而損害生長(zhǎng)。Cas12a2可用于分子診斷和RNA生物標(biāo)記物的直接檢測(cè)，這已得到原理證明。 Jackson和Hallmark是正在破譯CRISPR-Cas系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以及是什么讓它們運(yùn)作的全球研究人員中的一員。Jackson說，“我們?cè)谶@兩篇論文中報(bào)道的研究結(jié)果幾乎是在六年內(nèi)完成的?！?/p> 在過去五年中被確認(rèn)為一種獨(dú)特的免疫系統(tǒng)，CRISPR-Cas12a2在某種程度上類似于更知名的CRISPR-Cas9，后者與目靶DNA結(jié)合并像分子剪刀一樣切割它，從而有效地關(guān)閉靶基因。但是CRISPR-Cas12a2與CRISPR-Cas9結(jié)合的靶標(biāo)不同，而且這種結(jié)合具有非常不同的效果。
Cas12a2核酸酶在V型Cas12核酸酶中形成了一個(gè)獨(dú)特的分支。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-022-05559-3。 Jackson說，“Cas12a2蛋白在與RNA結(jié)合時(shí)發(fā)生了重大的構(gòu)象變化，為DNA的破壞打開了一個(gè)不加區(qū)分的活性位點(diǎn)。Cas12a2破壞了靶細(xì)胞中的DNA和RNA，導(dǎo)致它們衰老?！?/p> 通過使用低溫電鏡（cryo-electron microscopy, cryo-EM），這些作者展示了CRISPR-Cas12a2的這一獨(dú)特方面，包括它的RNA觸發(fā)的單鏈RNA、單鏈DNA和雙鏈DNA的降解，從而導(dǎo)致一種自然發(fā)生的防御策略，即頓挫性感染（abortive infection，也譯為流產(chǎn)性感染）。 Hallmark說，“頓挫性感染是細(xì)菌和古生菌用來限制病毒和其他病原體傳播的一種天然噬菌體抵抗策略。比如，頓挫性感染可以阻止已感染了宿主細(xì)胞的病毒成分進(jìn)行復(fù)制?！?/p> Jackson說，該團(tuán)隊(duì)在Cas12a2切割雙鏈DNA的過程中捕捉到了它的結(jié)構(gòu)。他說，“令人難以置信的是，Cas12a2核酸酶將通常筆直的一段雙螺旋DNA彎曲了90度，以迫使這段雙螺旋DNA的骨架進(jìn)入這種核酸酶的活性位點(diǎn)，并在那里遭受切割。這是一種結(jié)構(gòu)上的變化，觀察起來很不尋常---這種現(xiàn)象引起了科學(xué)家同行的驚呼?！?/p> 在進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析中，他們發(fā)現(xiàn)Cas12a在免疫反應(yīng)的不同階段與它的靶RNA結(jié)合后會(huì)發(fā)生重大結(jié)構(gòu)變化。這反過來又導(dǎo)致核酸酶出現(xiàn)一個(gè)暴露的裂縫，可以粉碎它遇到的任何核酸--無論是RNA、單鏈DNA還是雙鏈DNA。他們還發(fā)現(xiàn)了一種讓Cas12a2發(fā)生突變以改變它在識(shí)別它的RNA靶標(biāo)后降解的核酸的方法。這些具體細(xì)節(jié)為未來開辟了潛在的廣泛技術(shù)應(yīng)用。 Jackson說，健康細(xì)胞和惡性細(xì)胞或被感染的細(xì)胞之間存在遺傳上的區(qū)別。他說，“如果可以利用Cas12a2在遺傳水平上識(shí)別、靶向和摧毀細(xì)胞，那么它的潛在治療應(yīng)用意義重大?！?/p> 此外，這兩篇論文中描述的CRISPR-Cas12a2的RNA診斷能力，可能推動(dòng)阻止一些遺傳性疾病影響的努力。 Jackson說，“我們只是觸及表面，但我們相信CRISPR-Cas12a2可能導(dǎo)致改進(jìn)其他CRISPR-Cas技術(shù)，這將大大有利于社會(huì)?！?（生物谷 Bioon.com） 參考資料： 1. Oleg Dmytrenko et al. Cas12a2 Elicits Abortive Infection via RNA-triggered Destruction of dsDNA. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-022-05559-3. 2. Jack P. K. Bravo et al. RNA Targeting Unleashes Indiscriminate Nuclease Activity of CRISPR-Cas12a2. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-022-05560-w. 3. Biochemists describe structure and function of newly discovered CRISPR immune system 4. Researchers discover new type of CRISPR gene scissors  |
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