2018年3月12日, 《Cell Research》雜誌在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所趙國屏研究組題為「Cas12a兼具順式和反式單鏈DNA切割活性」(CRISPR-Cas12a has both cis- and trans-cleavage activities on single-stranded DNA)的最新研究論文。本文深入系統地研究了Cas12a對於靶標單鏈DNA和非靶標單鏈DNA的切割特性。
作為生命的基本遺傳物質，DNA的精準編輯和快速檢測一直以來都受到高度的重視。近年來，隨著CRISPR/Cas9系統的發現和開發，人們對基因治療重新燃起了新希望；儘管存在一些潛在的安全風險和一定的倫理之爭，CRISPR/Cas9系統出於其相對精準和高效，已經開始被應用於臨床的研究。與此同時，科學家也開始將CRISPR系統引入核酸快速檢測領域，期望為現有的臨床診斷技術帶來突破。
在本研究中，作者發現Cas12a在靶標ssDNA的第22位附近特異切割DNA（稱為cis切割），並且該切割行為不需要PAM序列的輔助。同時，研究還發現，一旦Cas12a與crRNA以及靶標DNA形成三元複合體後，該複合物就會顯示出很強的「亂切」活性，並將體系中任意單鏈DNA切成碎片（稱為trans切割）。藉助於質譜分析，作者發現Cas12a將ssDNA切成2-4nt的片段。根據一系列點突變的實驗結果，作者還證明了Cas12a的cis和trans切割活性都和其RuvC口袋（『RuvCpocket』）相關，並據此提出了Cas12a切割ssDNA的分子模型。該研究成果有望為DNA臨床診斷提供新的研究思路。
趙國屏研究組近年來聚焦於合成生物學使能技術的開發和應用，開發了多項DNA編輯和檢測的方法，並積極推動這些方法用於臨床研究。該研究得到了中國科學院先導專項——人工染色體構建與穩定遺傳的技術方法、中國科學院青年創新促進會和國家自然科學基金委的經費資助。
圖1. CRIPSR/Cas12a切割單鏈DNA的示意圖（A）和三元複合物的結構模擬圖（B）。
Summary:
Taken together, we here show that the cleavage activities on ssDNAs, including both cis- andtrans-cleavage, are ubiquitous among Cas12a proteins, and proposed cleavage models are shown in Supplementary information, Figure S12. Notably, Cas12a is so far the first characterized Cas protein whose ternary complex has trans-ssDNA cleavage activity. Considering the fact that a large number of single-stranded viruses exist in the environment, Cas12a may get the ssDNA cleavage activity during evolution and may function as a powerful tool to prevent the invasion of foreign ssDNAs. In addition to Cas12a, Cas13a (previously known as C2c2), an RNA-guided and RNA-targeting CRISPR effector from the class 2 type VI CRISPR system, was found with the trans-cleavage activity on RNA.10,11,12 Recently, this characteristic of Cas13a was successfully employed for rapid and sensitive nucleic acid detection.13 Therefore, the trans-cleavage activity of Cas12a characterized in this study may also be utilized in potential biotechnological applications in a similar manner. Since different Cas12a complexes show various trans-cleavage activity on dsDNA, the in-depth mechanism needs further investigation.
編輯：土豆
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