生物物理所解析Ⅵ型CRISPR-Cas系統C2c2-RNA複合物結構

圖：LshC2c2-crRNA的二元複合物的晶體結構。

1月12日，《細胞》（Cell）雜誌發表了中國科學院生物物理研究所王艷麗課題組關於Ⅵ型CRISPR-Cas系統的效應蛋白C2c2的結構研究。標題為Two Distant Catalytic Sites Are Responsible for C2c2 RNase Activities。該研究解析了Leptotrichia shahii（Lsh）細菌中C2c2與crRNA (CRISPR-RNA) 的二元複合物以及C2c2在自由狀態下的晶體結構，揭示了LshC2c2通過兩個獨立的活性結構域來發揮其兩種不同的RNA酶切活性，這為研究C2c2發揮RNA酶活性的分子機制提供了重要的結構生物學基礎。

CRISPR/Cas系統是古菌和細菌的抵抗病毒和質粒侵染的重要免疫防禦系統。CRISPR-Cas系統劃分為兩大類，第一大類CRISPR-Cas系統由多亞基組成的效應複合物發揮功能；第二大類是由單個效應蛋白（如Cas9、Cpf1、C2c1等）來發揮功能。其中，Cas9、Cpf1、C2c1均具有RNA介導的DNA核酸內切酶活性。目前，Cas9和Cpf1蛋白作為基因組編輯工具被廣泛應用，克服了傳統基因編輯技術步驟繁瑣、耗時長、效率低等缺點，以其較少的成分、便捷的操作以及較高的效率滿足了大多數領域的基因編輯需求，並有著潛在且巨大的臨床應用價值。

2015年，一種全新的第二類CRISPR-Cas系統——Ⅵ型系統被發現，該系統中的效應蛋白被命名為C2c2。而後的研究進一步發現，Ⅵ型CRISPR-Cas系統是一種新型靶向RNA的CRISPR系統，而C2c2是一種以RNA為導向靶向和降解RNA的核酸內切酶，有望被開發作為RNA研究的工具，擴展CRISPR系統在基因編輯方面的運用。

王艷麗課題組通過深入的研究，解析了C2c2與crRNA的二元複合物的晶體結構以及C2c2蛋白的晶體結構，揭示了C2c2包含一個crRNA識別的葉片即REC葉片，和一個核酸酶葉片即NUC葉片。REC葉片包含NTD結構域（N-terminal domain）和Helical-1結構域，NUC葉片包含了兩個HEPN結構域、Helical-2結構域以及連接兩個HEPN結構域的連接結構域。負責切割前體crRNA和靶標RNA的活性口袋分別位於Helical-1和HEPN結構域上。crRNA的結合會引起C2c2蛋白的構象變化，這種變化很可能會穩定crRNA的結合，進而對識別靶標RNA起著重要作用。該研究通過結構和生化研究揭示了C2c2剪切pre-crRNA以及切割靶標RNA的分子機制，對認識細菌抵抗RNA病毒入侵的分子基礎具有十分重要的意義。同時也為改造CRISPR-C2c2系統，為其在基因編輯領域的運用提供了強有力的結構基礎，有助於加速對病毒感染引發的疾病的理解、治療和預防。

生物物理所研究員王艷麗為該文的通訊作者。王艷麗課題組博士後劉亮為該文的第一作者，該研究得到科技部、國家自然科學基金以及中科院戰略性先導科技專項（B類）的資助，上海同步輻射光源（SSRF）以及日本同步輻射光源SPring-8為該研究提供了重要的技術支持。

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