Cell Research | 欧阳松应组在CRISPR-Cas13b结构与功能方面取得重要进展

责编丨迦溆

原核生物中存在一种规律成簇的间隔短回文重复DNA 序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR）。CRISPR表达的非编码RNA（CRISPR RNA，crRNA）及其相关蛋白（CRISPR associated protein, Cas）组成的复合物在原核生物中形成一种能够抵御噬菌体和外来核酸入侵的防御系统，即CRISPR-Cas系统。CRISPR-Cas系统的家族成员Cas9和cpf1（又名：Cas12a）具有RNA指导的DNA内切酶活性，已经被开发成为众所周知的具有重大应用前景的基因编辑工具，并且已经成功用于人类细胞的基因组编辑与改造。与之不同的是，CRISPR-Cas系统Ⅵ型Cas13b蛋白是一种新型的RNA指导的RNA内切酶，不仅具有pre-crRNA加工活性，同时还具备靶向RNA的切割活性，从而保护宿主抵抗病毒等外源RNA核酸物质入侵。

2018年11月13日，福建师范大学欧阳松应教授课题组在Cell Research杂志在线发表了题为Structural insights into Cas13b-guided CRISPR RNA maturation and recognition的研究成果。该研究解析了动物溃疡伯格菌（Bergeyella zoohelcum）中Cas13b（BzCas13b）与CRISPR RNA（crRNA）二元复合物的晶体结构，揭示了precursor crRNA（pre-crRNA）成熟加工的酶活位点，阐明了crRNA成熟的分子机制。

在本研究中，BzCas13b蛋白全长由1224个氨基酸残基构成，它包括了多个结构域。在解析的其与crRNA二元复合物晶体结构中（分辨率为2.79 Å），研究发现BzCas13b的多结构域以L型crRNA为中心环绕分布，整体呈现出三角形空间结构，其Helical-1，HEPN-1 and HEPN-2结构域构成三角形结构的一边，RRI-1、RRI-2结构域和linker region一起构成三角形结构的另一边，Helical-2结构域构成三角形结构的第三边。成熟的crRNA也包括了4个亚区域。

结合结构生物学和体外生物化学等实验手段，该研究首次揭示了加工pre-crRNA的蛋白酶活位点，发现了pre-crRNA被加工的重要位点，校正了以往相关研究领域中不准确的研究内容，并且进一步阐明了crRNA的识别机制。另外，之前的相关研究表明，来自BzCas13b的两个HEPN结构域的氨基酸残基R116，H121，R1177和H1182参与了靶RNA的切割，本研究内容证明了单个R116A或R1177A突变足以破坏该蛋白的靶RNA切割活性。

BzCas13b蛋白全长三维晶体结构与关键酶性功能位点解析

据悉，福建师范大学生命科学学院及南方生物医学研究中心为本研究成果的第一单位，欧阳松应教授为本文的独立通讯作者，福建师范大学生命科学学院青年教师张博博士和研究生叶维伟为本文的共同第一作者。

此外，近日欧阳松应教授课题组还在Protein & Cell杂志在线发表了题为Structural basis of AimP signaling molecule recognition by AimR in Spbeta group of bacteriophages的研究论文，解析了Spbeta噬菌体群体感应受体分子（AimR）与信号分子多肽AimP结合前后的晶体结构，揭示了噬菌体群体感应受体识别的分子机理。

群体感应作为细菌间信息交流的一种的重要方式，调控着细菌许多重要的生理功能，可以作为替代抗生素的靶标，吸引了许多研究者的兴趣。2017年，发表在Nature上的文章最早在病毒-噬菌体中发现了群体感应系统，并且初步证实噬菌体群体感应系统在噬菌体溶源-裂解途径的选择过程中起到至关重要的功能，但是，其具体分子机理不清楚。在此基础上，欧阳松应教授课题组解析了这一系统中关键蛋白的结构，通过对结构分析，可以了解噬菌体群体感应发挥功能的结构基础，将为噬菌体治疗以及其它抗病毒研究提供结构基础。