去年，來(lái)自麻省理工學(xué)院麥戈文腦科研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了III-E型CRISPR-Cas效應(yīng)蛋白Cas7-11并表征了它的特征，它是**種能夠?qū)NA鏈進(jìn)行**、有指導(dǎo)性的切割而在此過(guò)程中不傷害細(xì)胞的CRISPR 酶（Nature, 2021, doi:10.1038/s41586-021-03886-5）。如今，在一項(xiàng)新的研究中，他們與東京大學(xué)的合作者合作，發(fā)現(xiàn)Cas7-11可以縮小到一個(gè)更緊湊的版本，使其成為編輯活細(xì)胞內(nèi)RNA的一種更可行的選擇。他們描述了這種新的、緊湊的Cas7-11，同時(shí)還對(duì)原始的Cas7-11進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

相關(guān)研究結(jié)果于2022年5月27日在線(xiàn)發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Structure and engineering of the type III-E CRISPR-Cas7-11 effector complex”。論文通訊作者為麥戈文腦科研究所研究員Omar Abudayyeh、麥戈文腦科研究所研究員Jonathan Gootenberg和東京大學(xué)研究員Hiroshi Nishimasu。論文**作者為麥戈文腦科研究所前博士后Nathan Zhou和東京大學(xué)的Kazuki Kato。

Abudayyeh說(shuō)，“當(dāng)我們觀察這種結(jié)構(gòu)時(shí)，很明顯有一些不需要的部分，我們實(shí)際上可以去除這些部分。這使得這種酶足夠小，以至于可以將它裝入在單一的病毒載體中進(jìn)行**應(yīng)用?！?

這些作者認(rèn)為Cas7-11的新三維結(jié)構(gòu)是一種豐富的資源，可以回答有關(guān)這種酶的基本生物學(xué)問(wèn)題，并揭示未來(lái)調(diào)整它的功能的其他方法。

靶向RNA

在過(guò)去的十年里，CRISPR-Cas9基因組編輯技術(shù)使得科學(xué)家們有能力修改人類(lèi)細(xì)胞內(nèi)的基因---這對(duì)基礎(chǔ)研究和逆轉(zhuǎn)致病性基因突變的**方法的開(kāi)發(fā)都是一大福音。但是CRISPR-Cas9只對(duì)改變DNA起作用，對(duì)于某些研究和臨床目的來(lái)說(shuō)，編輯RNA更為有效或有用。

細(xì)胞終生保留它的DNA，并在復(fù)制時(shí)將一個(gè)相同的DNA拷貝傳遞給子細(xì)胞，因此對(duì)DNA的任何改變都是相對(duì)長(zhǎng)久性的。然而，RNA是一類(lèi)更短暫的分子，由DNA轉(zhuǎn)錄而來(lái)，并在不久后遭受降解。

Gootenberg說(shuō)，“能夠長(zhǎng)久地改變DNA有很多積極意義，特別是當(dāng)涉及到**一種遺傳性基因**時(shí)。但是對(duì)于感染、受傷或其他一些暫時(shí)性的**來(lái)說(shuō)，能夠通過(guò)靶向RNA來(lái)短暫地改變基因更有意義?！?

在Abudayyeh、Gootenberg和他們的同事發(fā)現(xiàn)Cas7-11并表征它的特征之前，**能夠靶向RNA的酶會(huì)產(chǎn)生混亂的副作用；當(dāng)識(shí)別一種特定的基因時(shí)，這種稱(chēng)為Cas13的酶開(kāi)始切割它周?chē)械腞NA。這一特性使得Cas13在診斷測(cè)試中很有效：它被用來(lái)檢測(cè)某個(gè)RNA片段的存在，但對(duì)于需要有針對(duì)性切割的**方法來(lái)說(shuō)，它卻不是很有用。

Cas7-11的發(fā)現(xiàn)為一種更**的RNA編輯形式打開(kāi)了大門(mén)，類(lèi)似于用于DNA的Cas9酶。然而，巨大的Cas7-11蛋白太大，無(wú)法裝入單一的病毒載體中。

結(jié)構(gòu)上的新見(jiàn)解

為了解析出Cas7-11的整體結(jié)構(gòu)，Abudayyeh、Gootenberg和Nishimasu使用了低溫電鏡技術(shù)，這種技術(shù)將電子束照射在冷凍的蛋白樣本上，并測(cè)量電子束的傳輸方式。他們知道Cas7-11采用模塊化架構(gòu)，由Cas7.1、Cas7.2、Cas7.3、Cas7.4、Cas11、INS和CTE這個(gè)結(jié)構(gòu)域和4個(gè)結(jié)構(gòu)域間接頭（linker）---L1、L2、L3和L4---組成，但是并不確定這些結(jié)構(gòu)域究竟是如何折疊和組裝在一起的。

圖片來(lái)自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.05.003。

Gootenberg說(shuō)，“從基本生物學(xué)的角度來(lái)看，Cas7-11真正迷人的地方在于它應(yīng)該是所有這些獨(dú)立的組成部分組合在一起，但它們卻融合成了一個(gè)基因。我們真的不知道為何會(huì)這樣?！?

Cas7-11的結(jié)構(gòu)在是它結(jié)合它的目標(biāo)tRNA鏈和指導(dǎo)這種結(jié)合的向?qū)NA（gRNA）的過(guò)程中捕捉到的，這揭示了它的這些組分部分是如何組裝的，以及它的哪些組分部分對(duì)于識(shí)別和切割RNA至關(guān)重要。這種結(jié)構(gòu)上的新見(jiàn)解對(duì)于弄清如何使Cas7-11在人體細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)至關(guān)重要。

通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，這些作者發(fā)現(xiàn)Cas7-11通過(guò)使用Cas7.1結(jié)構(gòu)域?qū)⑺那绑wCRISPR RNA（pre-crRNA）加工成crRNA，而且在crRNA的指導(dǎo)下，它還使用Cas7.2和Cas7.3結(jié)構(gòu)域在兩個(gè)確定的位點(diǎn)上切割靶RNA。該結(jié)構(gòu)還揭示了Cas7-11的一個(gè)組成部分沒(méi)有任何明顯的功能作用。這一發(fā)現(xiàn)表明他們員可以將這個(gè)組成部分移除，重新設(shè)計(jì)Cas7-11，使它變得更小，而不影響它靶向RNA的能力。Abudayyeh和Gootenberg測(cè)試了去除這個(gè)組成部分的不同片段的影響，結(jié)果獲得Cas7-11的一個(gè)新的緊湊版本，被稱(chēng)為Cas7-11S。有了Cas7-11S，他們將它裝入在單個(gè)病毒載體中，將它遞送到哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，并有效地靶向目標(biāo)RNA。

這些作者目前正在計(jì)劃未來(lái)對(duì)Cas7-11來(lái)源**中與它相互作用的其他蛋白進(jìn)行研究，并希望繼續(xù)致力于將Cas7-11用于**用途。

Abudayyeh說(shuō)，“想象一下，你可以有一種RNA基因療法，當(dāng)進(jìn)行**時(shí)，它可以修改你的RNA，但當(dāng)你停止**時(shí)，這種修改就會(huì)停止。這真地只是讓這組工具發(fā)揮作用的開(kāi)始?！?（生物谷 Bioon.com）