報告細菌首領 新防禦系統已被科學家破解

CRISPR-Cas系統：細菌和病毒之間的博弈

細菌、病毒、真菌等微生物處處存在於大自然中，雖然它們與人類的生活息息相關，但由於它們個體微小，絕大多數難以用肉眼觀察到，人類對微生物的了解還知之甚少，一直處於探索階段。其實，微生物在破壞人類防禦系統的同時，也有著抵禦「外敵」入侵的防禦系統。其中比較典型的就是存在於細菌和古菌中的 CRISPR-Cas 系統。

2015年，科學家們在一種纖毛菌內發現它們具有一套抵抗 RNA 病毒攻擊的 CRISPR-Cas 防禦系統。這套防禦系統可以運用一種特殊的嚮導 RNA 去特異識別 RNA 病毒的基因序列從而完成對目標的識別定位。而後，在嚮導 RNA 的帶領下，防禦系統中的有效攔截裝置—一種叫做 Cas13a 的蛋白便會對目標 RNA 進行摧毀，從而阻止 RNA 病毒的入侵。但是， Cas13a 的摧毀能力過於瘋狂，在摧毀目標病毒 RNA 的同時，還會摧毀菌體內的「平民」 RNA 。

這原本只是一場屬於細菌和病毒之間的博弈，卻在科學家腦中激起來不一樣的靈感。

今年4月，來自美國的科學家巧妙地將「瘋狂」的 Cas13a 開發成了新型的核酸檢測工具。他們在檢測系統中加入了一種特殊的熒游標記的「平民」 RNA ，當嚮導 RNA 特異識別了目標 RNA 之後， Cas13a 在其「瘋狂」的摧毀過程中也造成了「平民」 RNA 的無辜損毀。而當熒游標記的「平民」 RNA 受損時，便會發出特殊的熒光而被檢測到。

這種新型的檢測方法可以將檢測精度提高到單分子的水平，同時，對其應用於各種重要疾病的快速檢測，例如癌基因的檢測、各類病毒感染性疾病的檢測，都具有十分廣闊的前景。但是， Cas13a 對於 RNA 的這種過於「瘋狂」的攔截行為，卻一直困擾著研究人員。

解密：防禦系統如何分清「敵我」

今年1月，國際頂尖期刊 Cell （《細胞》）雜誌報道了來自中國科學院生物物理研究所王艷麗研究員所帶領的研究團隊的成果。他們運用X-射線晶體學的研究手段和方法，獲得了沙氏纖毛菌的 Cas13a 與嚮導 RNA 的二元複合物以及 Cas13a 在自由狀態下的晶體結構。

他們發現， Cas13a 具有兩個可用於切割 RNA 的單元。其中一個 RNA 切割部件可以加工前體嚮導 RNA ，使得生成的嚮導 RNA 定向尋找其靶向的 RNA 序列；另一組 RNA 切割單元則用來切割目標 RNA 和「平民」 RNA 。但是，Cas13a如何識別目的RNA, 並切隨後切割目的RNA 以及平民RNA的作用機理並不清楚。

今年7月，王艷麗課題組的研究團隊與生物物理研究所章新政課題組的研究者合作，在這一困擾科研人員很久的難題上取得了突破性的研究成果，該研究以結構生物學為基礎，詳細闡述了 Cas13a 切割目標 RNA 和「平民」 RNA 的分子機制。相關成果已於7月27日在線發表於 Cell 雜誌，標題為 The MolecularArchitecture for RNA-Guided RNA Cleavage by Cas13a 。

在該項研究中，研究人員成功解析了口腔纖毛菌中 Cas13a 蛋白與嚮導 RNA 及其靶向 RNA 三元複合物3.08?的晶體結構、 Cas13a 蛋白與嚮導 RNA 二元複合物3.2?的電鏡結構。上述研究成果，使得人們可以直接清晰地觀察到這套以 Cas13a 為主體的防禦系統的具體構造情況。研究人員發現，當 Cas13a 未和靶標 RNA 結合時，其用於切割目標 RNA 的切割單元並未啟動，不具備摧毀目標 RNA 的能力。但是，當嚮導 RNA 成功鎖定目標 RNA 並且與其相互配對形成雙鏈 RNA 後，便將這一信號傳遞給 Cas13a ，觸發了嚮導 RNA 與 Cas13a 蛋白的構象變化，成功啟動 Cas13a 用於切割目標RNA的切割模塊。而後，由 Cas13a 所帶領的「瘋狂保衛戰」便打響了。研究人員還通過生化實驗證明了這種由嚮導 RNA 和靶向 RNA 所啟動的 Cas13a 不僅會造成目標 RNA 的摧毀，同時對其它「平民」 RNA 也具有很強的殺傷性。

目前，古菌和細菌利用 CRISPR-Cas 系統抵禦外源 DNA 浸染的 Cas 蛋白有多種，它們都是由嚮導 RNA 介導的切割目標 DNA 的 DNA 核酸內切酶，如Cas9，Cpf1, C2c1等， Cas9 和 Cpf1 已成功開發為重要的基因編輯工具，它們可作為開展基因功能研究、尋找合適藥物作用靶標的巧妙工具。而 Cas13a 是目前發現的唯一能夠降解 RNA 的 Cas 蛋白，並且基於 Cas13a 而開發的核酸檢測工具在埃博拉、登革熱等致命性病毒的檢測，病原菌的篩選以及腫瘤相關突變的檢測中已逐漸嶄露頭角。這項研究對進一步開發研究 RNA 工具，擴展 CRISPR 系統在基因編輯方面的運用具有重大價值。

這一研究發現，對 Cas13a 的進一步開發運用提供了可靠的結構設計圖紙，對科學家們深入理解細菌抵禦病毒入侵的分子機制提供了極為強有力的證據，並將對病毒引起的疾病的預防、檢測、控制和治療產生極為重大的意義。

LbuCas13a-crRNA-targetRNA三元複合物的晶體結構

作者：劉亮

來源：中國科學院生物物理研究所

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