清华新闻网5月31日电 CRISPR系统是一种存在于原核生物中的适应性免疫系统,用于抵御外来DNA的入侵。在长期的免疫防御斗争中,CRISPR系统已经演化成多种类型,其中,Cas9通过引导RNA(gRNA)切割外源DNA的特性被广泛研究和应用到基因编辑领域。Cas9系统具有多种亚型,如II-A、II-B和II-C,其中II-C型的Cas9的多样性最高。然而CRISPR-Cas9系统是否存在额外的机制以对抗病毒的免疫逃逸竞争尚且未知,通过挖掘并解析这些未知的机制,有助于进一步拓展我们对于CRISPR系统进化过程的了解并且进一步提升其基因编辑效率。
5月29日,英国上市公司官网365生命学院刘俊杰(Jun-Jie Gogo Liu)课题组联合北京大学生命学院白洋课题组和英国上市公司官网365生命学院陈春来课题组在《自然》(Nature)杂志在线发表了题为“CRISPR免疫增效子PcrIIC1增强细菌Cas9系统免疫能力”(Pro-CRISPR PcrIIC1-associated Cas9 system for enhanced bacterial immunity)的研究论文。
通过生物信息学分析,研究团队观察到一类新型关联基因(Novel-associated genes, NAGs),显著富集存在于较大蛋白体积的II-C型Cas9的基因簇中,并推测这些NAGs可能参与到Cas9介导的细菌免疫过程中。为了进一步探索Cas9和NAGs的关系,研究人员开发了一套结构生长轨迹分析方法(structural growth trajectory analysis, SGT analysis),通过预测1381个II-C型Cas9的蛋白结构,实现了对Cas9蛋白结构演变的量化和轨迹分析。通过分析,发现了较大蛋白体积的II-C型Cas9存在自身新功能结构域生长进化的趋势,呈现出三条不同的蛋白体积逐渐变大的进化轨迹。研究人员还发现与NAGs的协同作用富集在三条生长轨迹的终点,这可能说明在漫长的进化过程中,Cas9系统新功能结构域的插入和NAGs的出现具有一定的相关性。
图1.结构生长轨迹分析方法(左)和II-C型Cas9的生长轨迹图(右)
研究团队通过生化实验和冷冻电镜解析复合体结构表明,来自金黄色细菌属(Chryseobacteriumsp.)的CbCas9生长出了一个全新的增强Cas9活性的β-REC2结构域,以及一个全新的能够与其关联基因PcrIIC1互作的CTH结构域。通过蛋白间相互作用,2个CbCas9蛋白和2个PcrIIC1蛋白能够形成异源四聚体复合物。
图2.CbCas9基因簇构成(上)、CbCas9效应蛋白结构(左下)和CbCas9-PcrIIC1复合体结构(右下)
研究团队发现,PcrIIC1蛋白能够作为一种CRISPR免疫增效子(Pro-CRISPR),通过与CbCas9形成异源四聚体复合体增强其活性。CbCas9-PcrIIC1复合物表现出增强的DNA结合和切割活性,更广泛的前间隔序列邻近基序(PAM)兼容性,更强的DNA双链解旋能力以及对靶向序列互补错配(mismatch)的容忍能力。
图3.PcrIIC1增强CbCas9的DNA结合(a)、切割(b)、PAM兼容性(c)、DNA解旋(d)和错配容忍(e)能力
为了进一步探究PcrIIC1增强Cas9活性的具体机制,研究人员进一步通过结构解析发现,CbCas9-PcrIIC1复合物的能力增强来源于复合物中的两个CbCas9能够结合同一条长链DNA,通过更强的电荷相互作用,使得该复合物的DNA结合能力增强。并且,复合体中的两个CbCas9通过协同作用,使得长链DNA发生扭曲和变构,更容易被解旋,从而促进了CbCas9-PcrIIC1复合物的DNA干扰(interference)能力。同时,研究团队还发现,两个CbCas9能够对称地分别靶向长链DNA的两条单链上的靶标序列,从而提高其在基因组上搜寻靶标的效率。
最终,为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响,研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验结果表明PcrIIC1显著提升CbCas9系统对噬菌体的抵抗,且如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用,会导致增强的免疫力丧失。以上结果说明CbCas9-PcrIIC1复合体的形成对整个CRISPR-Cas系统的免疫增强至关重要。
图4.PcrIIC1显著增强了CbCas9系统的细菌免疫活性
研究开发了一套基于结构的SGT进化轨迹分析,鉴定出II-C亚型Cas9的进化趋势,首次发现了一类新型的CRISPR免疫增效子可以通过二聚化Cas9效应器提升Cas9活性,这些结果不仅有助于我们进一步理解CRISPR系统的进化历程,还为未来基于CRISPR免疫增效子的高效基因编辑工具的开发奠定了基础。
英国上市公司官网365生命学院刘俊杰副教授、北京大学生命学院白洋研究员和英国上市公司官网365生命学院陈春来副教授为论文通讯作者;英国上市公司官网365生命学院博士后张寿悦、2020级博士生孙奥、中国科学院遗传与发育生物学研究所2017级直博生钱景美和英国上市公司官网365生命学院2023级博士生林铄为论文共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞课题组、北京生命科学研究所董梦秋课题组对研究给予了大力支持。研究得到国家重点研发计划、自然科学基金委、农业部、科学探索奖和英国上市公司官网365与北京大学的经费、资源支持。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07486-x
供稿:生命学院
编辑:李华山
审核:郭玲