研究揭示編碼在轉座子的新型CRISPR-Cas系統靶向DNA的作用機制

2020-12-03 生物谷



1月8日，國際學術期刊Cell Research 在線發表了中國科學院分子細胞科學卓越創新中心/生物化學與

細胞生物學

研究所楊薈研究組題為Structural basis of a Tn7-like transposase recruitment and DNA loading to CRISPR-Cas surveillance complex 的研究成果。該研究闡明了霍亂弧菌I-F 亞型Cascade效應複合物招募Tn7樣轉座子亞基TniQ的分子機制，及Cascade-TniQ複合物對DNA的序列特異性識別過程，對潛在新型基因編輯工具的開發具有重要指導意義。

CRISPR系統是原核生物體內由RNA介導的，序列特異性識別外源核酸，並通過核酸內切酶對其進行切割的獲得性免疫系統。早先的研究發現幾種核酸內切酶基因缺失的I-F、I-B和V-K亞型CRISPR系統與DNA靶向亞基缺失的Tn7樣轉座子在進化和功能上相關。進一步的研究表明，這類I-F和V-K亞型CRISPR系統可與轉座相關蛋白共同作用，在大腸桿菌細胞全基因組範圍內實現RNA介導的DNA特異位點插入。在霍亂弧菌中，轉座蛋白TniQ可與I-F 亞型Cascade效應複合物直接作用，並在DNA插入過程發揮關鍵作用。CRISPR系統與Tn7樣轉座系統介導的DNA插入不依賴CRISPR系統產生DNA雙鏈斷裂，進而不依賴細胞內源DNA修復途徑，為基因編輯提供一種全新的模式。然而，這一過程的分子機制並不清楚。

在該項研究中，研究人員利用X-射線晶體衍射技術和單顆粒冷凍電鏡技術分別解析了apo-TniQ的晶體結構和Cascade-TniQ複合物與DNA結合前後的電鏡結構。霍亂弧菌的Cascade複合物由Cas6、Cas7、Cas8（Cas5和Cas8基因融合蛋白）和crRNA以1：6：1：1的比例組裝而成，整體結構與已報導I-F亞型其他Cascade複合物較為相似。Cas6位於複合物頭部並結合crRNA的3』莖環部分，Cas8位於複合物尾部並結合crRNA的5』端，6個Cas7形成複合物的骨架並結合crRNA的間隔區（spacer）。底物DNA結合後，Cas8通過DNA雙鏈小溝序列特異性識別PAM序列，並穩定被打開的DNA雙鏈。目標DNA鏈與crRNA的間隔區互補配對形成DNA-RNA雜交鏈，由6個Cas7穩定。TniQ形成同源二聚體結合在Cascade複合物頭部，分別與Cas6和Cas7.1相互作用。DNA結合後，Cascade-TniQ複合物發生微小變化，crRNA螺旋軸增長，複合物整體構象更為伸展。本項工作的研究成果闡明了轉座蛋白TniQ與Cascade複合物的組裝機制以及Cascade-TniQ複合物識別DNA的分子機制，深入理解RNA介導的DNA位點特異性插入的起始過程，為新型基因編輯方式的開發提供結構信息。(

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