《Nature》同期两篇文章发现新型CRISPR基因剪刀

像人类一样，细菌和古生菌也会受到病毒的攻击。这些微生物已经发展出自己的免疫防御策略来对抗病原体。细菌防御，如CRISPR-Cas系统，具有不同的蛋白质和功能，帮助细菌保护自己免受外来入侵者的侵害。这种防御基于一种常见的机制:作为“引导RNA”的CRISPR核糖核酸(crRNA)，有助于检测外源基因组的区域，如病毒的DNA，以进行靶向切割。由crRNA引导的CRISPR相关核酸酶(Cas)可以像剪刀一样切割其目标:这是人类在许多技术中利用的一种自然策略。

Chase Beisel说:“考虑到不同的核酸酶已经很好地转化为新的和改进的技术，这一领域的任何发现都可能给社会带来新的好处。”Beisel与美国密苏里州Benson Hill公司的Matthew Begemann和犹他州立大学的Ryan Jackson共同发起了目前对一套特定的CRISPR-Cas系统的研究。研究结果于今天发表在Nature杂志，与此同时，由德克萨斯大学的 Ryan Jackson和David Taylor 领导的另一个团队进行了详细的结构分析。

与其他已知的CRISPR核酸酶不同  

“我们正在探索最初与Cas12a聚集在一起的CRISPR核酸酶，这种核酸酶通过识别和切割侵入性DNA来保护细菌。一旦我们发现了更多的，我们就意识到它们与Cas12a有足够的不同，可以进行更深入的研究，”该研究的第一作者Oleg Dmytrenko说。”这一探索使我们发现，这些被我们称为Cas12a2的核酸酶不仅与Cas12a有很大的不同，而且与任何其他已知的CRISPR核酸酶也有很大的不同。”

最关键的区别在于防御行动的机制。当Cas12a2识别侵入性RNA时，核酸酶将其裂解，但也可以破坏细胞内的其他RNA和DNA，损害其生长并限制感染的扩散。”一般来说，这种阻止感染的防御策略在细菌中已经被发现，”HIRI博士后Oleg Dmytrenko说。”其他一些CRISPR-Cas系统也是这样工作的。然而，基于CRISPR的防御机制依赖于单个核酸酶来识别入侵者并降解细胞DNA和RNA，这在以前还没有被观察到。”

细节

Cas12a2的蛋白质序列和结构将该核酸酶与Cas12a区分开来。Cas12a2被一个原间隔区侧翼序列(PFS)激活，识别与引导RNA互补的目标RNA。靶向RNA触发侧链核酸切割，从而降解RNA、单链DNA和双链DNA。这种活动导致细胞停滞，可能是通过破坏细胞中的DNA和RNA，从而损害生长。Cas12a2可用于分子诊断和RNA生物标记物的直接检测，这已被原理证明。

毁灭性的裂痕  

在另一个团队对核酸酶的进一步结构分析（同期Nature另一篇文章）Cas12a2在免疫反应的不同阶段与RNA靶标结合后，发生了重大的结构变化。这反过来又导致核酸酶出现一个暴露的裂缝，它可以粉碎它遇到的任何核酸——无论是RNA、单链DNA还是双链DNA。该研究还发现了使Cas12a2突变的方法，以改变核酸酶在识别其RNA目标后降解的核酸。这些细节为未来开辟了潜在的广泛技术应用。

Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023). Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA. Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05559-3,

Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023). Large-scale structural rearrangements nleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2. Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05560-w