CRISPR-Cas13系統能夠靶向編輯RNA，被稱(chēng)為“RNA魔剪”。隨著(zhù)科學(xué)家們研究的深入，其家族成員不斷壯大。近日，發(fā)表在《自然·通訊》的一項成果，揭開(kāi)了“RNA魔剪”家族最年輕成員“CRISPR-Cas13d”的神秘面紗。
這項成果來(lái)自福建師范大學(xué)歐陽(yáng)松應教授團隊。該團隊解析了瘤胃球菌的Cas13d蛋白（簡(jiǎn)稱(chēng)UrCas13d）與crRNA二元復合物高分辨率晶體結構，揭示了UrCas13d加工前體crRNA的酶活性關(guān)鍵位點(diǎn)，鑒定了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(wèn)題。
“這就像飛機設計工程師獲得了設計并制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(yáng)松應表示，這為進(jìn)一步改造Cas13d作為核酸編輯及檢測工具，并發(fā)揮其在解決人類(lèi)疾病與健康等問(wèn)題上的應用潛力，提供了扎實(shí)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）的免疫防御系統，該系統表達的非編碼RNA（crRNA）及其相關(guān)Cas蛋白組成的復合物，使得原核生物能夠識別并且“撕碎”入侵噬菌體的核酸物質(zhì)（DNA或者RNA），用以保持自身遺傳物質(zhì)的“純潔”，在原核生物的進(jìn)化中起到重要作用。
“正是由于這種精確地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas系統被開(kāi)發(fā)成高效的基因編輯工具，可以對遺傳物質(zhì)DNA或RNA，進(jìn)行依賴(lài)核酸序列信息的精確識別和切割。”歐陽(yáng)松應說(shuō)，其中名聲在外的CRISPR-Cas9系統可以高效地編輯DNA序列，用于糾正個(gè)體細胞內的基因缺陷，給眾多遺傳疾病和罕見(jiàn)病治療帶來(lái)了希望，該系統已經(jīng)從實(shí)驗室研究階段進(jìn)入到臨床研究階段，具有治愈或預防多種人類(lèi)疾病的潛力。
近年來(lái)，源于生物學(xué)研究及醫學(xué)領(lǐng)域的巨大應用潛力，一類(lèi)可以特異地靶向檢測與編輯RNA的CRISPR-Cas系統被發(fā)現并報道出來(lái)，命名為Cas13（包括了a、b、c、d四個(gè)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(huì )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(gè)課題組和美國Arbor生物技術(shù)公司的課題組分別報道了通過(guò)生物信息學(xué)方法篩選，并經(jīng)過(guò)功能實(shí)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(zhù)相似之處，但更有其獨特之處。
“關(guān)鍵在于大小。”歐陽(yáng)松應介紹，Cas13d的蛋白序列長(cháng)度約為930個(gè)氨基酸，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(guān)病毒（AAV）載體，因此在開(kāi)發(fā)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”高分辨率晶體結構
結構生物學(xué)是分子生物學(xué)、生物化學(xué)及生物物理學(xué)的分支學(xué)科，關(guān)心的是生物大分子（例如蛋白質(zhì)分子和核酸分子）的分子三維結構（包括構架和形態(tài)），獲得它們的結構信息，并研究生物大分子的結構與功能之間的關(guān)系。
“所有的生命活動(dòng)都是通過(guò)各種生物大分子的相互作用來(lái)實(shí)現，而結構生物學(xué)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(guò)程的詳細機制，使人們‘知其然而知其所以然’。”歐陽(yáng)松應告訴記者，目前結構生物學(xué)的研究范圍已經(jīng)涉及到大多數重要的生命活動(dòng)，分子生物學(xué)的每一個(gè)前沿突破都與結構生物學(xué)密切相關(guān)。
在本研究中，歐陽(yáng)松應課題組將結構生物學(xué)與生命科學(xué)前沿研究課題結合，解析了UrCas13d蛋白和crRNA二元復合物的高分辨率晶體結構，可以直觀(guān)看到每一個(gè)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(lái)，CRISPR-Cas系統會(huì )在‘指揮官’（前導序列）的調控下轉錄出兩種‘防御材料’，其中一種就是前體crRNA，另一種是我們研究的Cas蛋白。”歐陽(yáng)松應比喻說(shuō)。這一研究清楚地解釋了Cas13d這把“新型魔剪”，究竟采用了什么樣的空間結構布局來(lái)加工前體crRNA，并如何結合成熟的crRNA，形成具有識別靶向RNA能力的功能復合物，從而進(jìn)一步研究清楚該蛋白具有的crRNA依賴(lài)的RNase活性的分子機理。
相關(guān)研究表明，Cas13d可做為一種強大RNA編輯工具，用于糾正老年癡呆癥患者細胞中引起疾病的蛋白質(zhì)失衡。同時(shí)，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(gè)通用平臺。
“該研究揭開(kāi)了CRISPR-Cas13d系統的神秘面紗，對其技術(shù)機制特點(diǎn)有了更深刻理解，有助于這項技術(shù)更廣泛地應用，從而造福人類(lèi)。”歐陽(yáng)松應說(shuō)。
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