本報記者 謝開飛
CRISPR-Cas13系統能夠靶向編輯RNA，被稱為「RNA魔剪」。隨著科學家們研究的深入，其家族成員不斷壯大。近日，發表在《自然·通訊》的一項成果，揭開了「RNA魔剪」家族最年輕成員「CRISPR-Cas13d」的神秘面紗。
這項成果來自福建師範大學歐陽松應教授團隊。該團隊解析了瘤胃球菌的Cas13d蛋白(簡稱UrCas13d)與crRNA二元複合物高解析度晶體結構，揭示了UrCas13d加工前體crRNA的酶活性關鍵位點，鑑定了crRNA的間隔序列和靶向RNA之間的錯配耐受性等之前尚未研究清楚的問題。
「這就像飛機設計工程師獲得了設計並製造一架飛機的圖紙與工序，為修理或設計出更出色的飛機提供了藍圖。」歐陽松應表示，這為進一步改造Cas13d作為核酸編輯及檢測工具，並發揮其在解決人類疾病與健康等問題上的應用潛力，提供了紮實的結構基礎和理論依據。
「RNA魔剪」應用潛力巨大
CRISPR-Cas系統是一種原核生物(細菌和古細菌)的免疫防禦系統，該系統表達的非編碼RNA(crRNA)及其相關Cas蛋白組成的複合物，使得原核生物能夠識別並且「撕碎」入侵噬菌體的核酸物質(DNA或者RNA)，用以保持自身遺傳物質的「純潔」，在原核生物的進化中起到重要作用。
「正是由於這種精確地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas系統被開發成高效的基因編輯工具，可以對遺傳物質DNA或RNA，進行依賴核酸序列信息的精確識別和切割。」歐陽松應說，其中名聲在外的CRISPR-Cas9系統可以高效地編輯DNA序列，用於糾正個體細胞內的基因缺陷，給眾多遺傳疾病和罕見病治療帶來了希望，該系統已經從實驗室研究階段進入到臨床研究階段，具有治癒或預防多種人類疾病的潛力。
近年來，源於生物學研究及醫學領域的巨大應用潛力，一類可以特異地靶向檢測與編輯RNA的CRISPR-Cas系統被發現並報導出來，命名為Cas13(包括了a、b、c、d四個家族成員)系統。這一針對RNA的編輯工具可以在RNA水平調節基因的功能，而不會對基因本身造成永久性改變。
2018年4月，美國索爾克研究所一個課題組和美國Arbor生物技術公司的課題組分別報導了通過生物信息學方法篩選，並經過功能實驗驗證的新型Cas蛋白，命名為Cas13d。作為最年輕的成員，Cas13d與其他「兄弟姐妹」在功能上有著相似之處，但更有其獨特之處。
「關鍵在於大小。」歐陽松應介紹，Cas13d的蛋白序列長度約為930個胺基酸，比其他Cas13家族成員明顯偏小，比Cas9更是小33%，這種尺寸使其更容易包裝到容量較小的載體中，如腺相關病毒(AAV)載體，因此在開發新藥、新材料和新的診斷方法上具有廣泛應用潛力。
獲得新型「魔剪」高解析度晶體結構
結構生物學是分子生物學、生物化學及生物物理學的分支學科，關心的是生物大分子(例如蛋白質分子和核酸分子)的分子三維結構(包括構架和形態)，獲得它們的結構信息，並研究生物大分子的結構與功能之間的關係。
「所有的生命活動都是通過各種生物大分子的相互作用來實現，而結構生物學能夠解釋生物大分子的構象和相互作用的方式，從原子水平揭示生命過程的詳細機制，使人們『知其然而知其所以然』。」歐陽松應告訴記者，目前結構生物學的研究範圍已經涉及到大多數重要的生命活動，分子生物學的每一個前沿突破都與結構生物學密切相關。
在本研究中，歐陽松應課題組將結構生物學與生命科學前沿研究課題結合，解析了UrCas13d蛋白和crRNA二元複合物的高解析度晶體結構，可以直觀看到每一個原子的位置及它們之間的相互作用細節信息。
「當入侵者到來，CRISPR-Cas系統會在『指揮官』(前導序列)的調控下轉錄出兩種『防禦材料』，其中一種就是前體crRNA，另一種是我們研究的Cas蛋白。」歐陽松應比喻說。這一研究清楚地解釋了Cas13d這把「新型魔剪」，究竟採用了什麼樣的空間結構布局來加工前體crRNA，並如何結合成熟的crRNA，形成具有識別靶向RNA能力的功能複合物，從而進一步研究清楚該蛋白具有的crRNA依賴的RNase活性的分子機理。
相關研究表明，Cas13d可做為一種強大RNA編輯工具，用於糾正老年痴呆症患者細胞中引起疾病的蛋白質失衡。同時，Cas13d可以作為一種可操控的RNA結合模塊，有效靶向細胞內的RNA轉錄物，為轉錄組工程和疾病治療提供了一個通用平臺。
「該研究揭開了CRISPR-Cas13d系統的神秘面紗，對其技術機制特點有了更深刻理解，有助於這項技術更廣泛地應用，從而造福人類。」歐陽松應說。