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CRISPR Cas13a切割原理

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CRISPR Cas13a的发现历史

2016年9月,美国加州大学伯克利分校的Jennifer Doudna、Alexandra East-Seletsky和他们的同事们利用CRISPR Cas13蛋白的附带切割活性检测RNA。

2017年4月,布罗德研究所大牛张锋团队利用CRISPR Cas13蛋白的附带切割活性,切割RNA报告分子,产生的荧光信号,检测样品中的RNA分子。

但是,CRISPR Cas13a蛋白切割目标RNA序列和任意RNA的具体的机制、原理是怎样的?

2017年7月,中国科学家王艳丽课题组与章新政课题组合作,对这一困扰科研人员的难题进行了研究,取得了突破性的成果,该研究以结构生物学为基础,详细阐述了CRISPR Cas13a切割目标RNA序列和任意RNA的分子机制。

CRISPR Cas13a的切割原理

在该项研究中,利用冷冻电镜技术,研究人员成功解析了口腔纤毛菌中Cas13a蛋白与crRNA及其靶向RNA三元复合物3.08Å的晶体结构。结构显示CRISPR Cas13a蛋白具有REC和NUC两个叶片,其中NUC叶片包含两个HEPN结构域、Helical-2结构域以及连接两个HEPN结构域的连接结构域,两个HEPN结构域组成了CRISPR Cas13a蛋白切割target RNA的活性区域。

CRISPR Cas13a蛋白切割原理

图1. LbuCas13a-crRNA靶RNA复合物的整体结构


CRISPR Cas13a蛋白具有两个独立的催化位点,用于其两种相互依赖的RNase活性。

Helical-1和HEPN2结构域可能负责pre-crRNA的稳定和处理过程。HEPN2结构域的作用类似Lbu中的催化pre-crRNA处理,而Helical-1结构域在Lsh中的pre-crRNA处理过程起关键作用。

尽管位于不同的位置,精氨酸和赖氨酸对于LbuCas13a蛋白和LshCas13a蛋白中的pre-crRNA处理过程是必需的。这两个关键氨基酸的不同位置可能与5'侧翼的长度有关。

CRISPR Cas13a蛋白的两个保守HEPN结构域导致了响应crRNA引导的RNA切割的复合HEPN催化口袋的形成。

然而,在没有靶标RNA的情况下,Cas13a蛋白的HEPN催化口袋无活性。其用于切割目标RNA的切割单元是没有活性的。在靶RNA存在下,引导链的中心种子区域启动与互补靶标的结合,形成引导靶RNA双链体,然后其传播至引导链的两端。引导靶双螺旋的形成诱导Cas13a蛋白的构象变化,激活HEPN催化位点。因此,在靶RNA结合后,活化的HEPN催化位点完全具有RNase活性。活化的Cas13a蛋白分子不加选择地切割任何暴露的RNA分子,包括与Cas13a蛋白结合的靶RNA和溶液中的任何游离RNA,导致靶降解以及宿主和任何其他噬菌体RNA序列的附带切割。

虽然CRISPR Cas13a蛋白被高度序列特异性靶结合激活,但Cas13a蛋白可以以非特异性方式切割任何RNA分子。一个RNA可能同时被多个活化的Cas13a蛋白切割。然而,未发现活化的Cas13a蛋白分子在溶液中形成稳定的二聚体,三聚体或其他同源寡聚体。pre-crRNA加工对于靶向不是必需的,但是从CRISPR阵列释放crRNA可以增强活性。

研究人员通过结构和功能证明,由crRNA和target RNA激活的Cas13a能切割任意单链的RNA。

CRISPR Cas13a蛋白切割原理

图2.   CRISPR Cas13a蛋白的切割原理图


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RNA targeting with CRISPR Cas13a



参考文献

The Molecular Architecture for RNA-Guided RNA Cleavage by Cas13a


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