研究揭示anti-CRISPR沉默CRISPR-Cas9系統的分子機理
2020-11-28 生物谷
中國科學院生物物理研究所王豔麗課題組和加拿大多倫多大學Karen Maxwell課題組的合作論文Inhibition of CRISPR-Cas9 ribonucleoprotein complex assembly by anti-CRISPR AcrIIC2 在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌在線發表。該工作報導了2.45埃的apo AcrIIC2和2.28埃的結合了Neisseria meningitides Cas9 (Nme1Cas9) BH domain的AcrIIC2複合物晶體結構，結合體內和體外實驗，系統闡述了anti-CRISPR蛋白AcrIIC2沉默CRISPR-Cas9系統的分子機理。王豔麗課題組一直致力於CRISPR-Cas系統抗病毒作用機理的研究，前期研究揭示了一系列重要的CRISPR-Cas系統的作用機理（Nature 2014， Cell 2015， Cell Res. 2016， Cell 2017a， Cell 2017b， Mol. Cell 2017， Cell 2018， Mol. Cell 2019， Cell 2019）。
CRISPR/Cas系統是廣泛存在於
細菌和古菌中的抵抗病毒和外源質粒入侵的獲得性免疫防禦系統。CRISPR-Cas系統分為兩大類。第一大類CRISPR-Cas系統由多亞基組成的效應複合物（如Cascade，Csm complex等）發揮功能；第二大類是由單個效應蛋白（如Cas9， Cas12，Cas13等）來發揮功能。Cas9具有RNA介導的DNA內切酶和RNA內切酶活性。由於可以特異性識別、結合、切割DNA，且具有可編程性，Cas9被廣泛運用於基因編輯和基因表達調控領域。2017年，Karen Maxwell課題組報導了3個來自於致病菌Neisseria meningitides 的anti-CRISPR蛋白，並命名為AcrIIC1，AcrIIC2，AcrIIC3。這是首次發現的可以抑制CRISPR-Cas9系統的anti-CRISPR蛋白。結構和功能研究表明，AcrIIC1通過和Cas9的HNH 結構域催化中心結合，抑制Cas9的基因編輯活性。
該研究中，研究人員通過生化實驗發現AcrIIC2和Nme1Cas9結合後，可以抑制sgRNA（由crRNA和tracrRNA融合而成）的結合，從而使Nme1Cas9的功能被抑制。研究人員隨後解析了2.45埃的apo狀態AcrIIC2晶體結構。結構發現AcrIIC2應該是一個dimer。兩個AcrIIC2結合形成一個帶負電荷的口袋，這提示AcrIIC2可能和帶正電荷的BH domain結合，從而發揮抑制功能。研究人員將複合物Nme1Cas9-AcrIIC2用蛋白酶預處理，收到了解析度高達2.28埃的晶體衍射數據。解出來AcrIIC2 與Nme1Cas B H複合物結構；功能實驗進一步驗證AcrIIC2和sgRNA競爭性地結合Nme1Cas9 BH 結構域。
王豔麗和Karen Maxwell為論文的共同通訊作者。Karen Maxwell課題組的Annoj Thavalingam、Bianca Garcia，王豔麗課題組的博士生程志、黃雪為論文的共同第一作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金以及中科院的資助，上海同步輻射光源（SSRF）為該研究提供了重要的技術支持。(
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