4月21日，哈尔滨工业大学生命学院黄志伟教授团队在《自然》《Nature》在线发表了题目为《CRISPR-Cpf1结合crRNA的复合物晶体结 构》（《The crystal structure of Cpf1 incomplex with CRISPR RNA》）的研究论文。该项研究通过结构生物学和生化研究手段揭示了CRISPR-Cpf1识别CRISPR RNA （crRNA）以及Cpf1剪切pre-crRNA成熟的分子机制，这对认识细菌如何通过CRISPR系统抵抗病毒入侵的分子机理具有十分重要的科学意 义，而且为成功改造Cpf1系统，使之成为特异的、高效的全新基因编辑系统提供了结构基础，让人们可以更加高效地对目的基因进行“关闭”、“恢复”和“切 换”等精准“手术”，使战胜癌症和艾滋病等疾病成为可能。

CRISPR-Cas系统是细菌编码的适应性免疫系统，该系统通过RNA引导的效应蛋白剪切病毒的DNA或者RNA从而抵抗病毒的感染。该系统之一的 CRISPR-Cas9系统被用来作为可编程的基因编辑工具用于细胞内目的DNA的剪切、激活表达、修饰、突变等。由于CRISPR-Cas9系统能够在 活细胞中高效地、便捷地“编辑”任何基因，作为科研、医疗等领域的强有力工具，已被广泛地应用于全世界的生物和医学实验室。

刚刚发现的CRISPR-Cpf1系统是一类新型的CRISPR-Cas系统，能够在crRNA引导下在人类细胞内剪切目的DNA底物。而且，Cpf1本 身也是一个具有序列特异性的RNase,这也是目前发现的唯一一个具有核酸序列特异性且同时具有DNase和RNase活性的核酸酶。Cpf1和Cas9 很大的不同还在于：Cpf1仅需要一个拷贝的crRNA，而Cas9需要序列更长的tracrRNA和crRNA去识别、剪切底物DNA，较短的 crRNA在转染细胞过程中将更高效；Cpf1和Cas9识别DNA底物上的模块（PAM）也不同；Cpf1剪切底物是通过粘性末端剪切，而Cas9是末 端剪切，粘性末端剪切将更有利于基因编辑后的修复。

在该项研究中，黄志伟团队首先解析了结合了crRNA的Cpf1复合物的晶体结构。非常意外的是，Cpf1并不是之前人们推测的二聚体状态，而是一个呈三 角形的单体，位于该结构中间是一个带有正电荷的凹槽。crRNA通过发卡结构形成高度扭曲的构象紧密结合在Cpf1的核酸结合结构域，和底物DNA配对的 crRNA 3'末端位于Cpf1凹槽的一端。和Cas9结合的sgRNA显著不同的是，Cpf1结合的crRNA的引导序列部分（guide sequence）并没有电子密度，这说明在没有底物结合的状态下这部分序列和Cpf1的结合比较松散。据黄志伟介绍，结构观察发现一个紧密结合 crRNA的六水合镁离子对稳定crRNA构象激活Cpf1的催化活性非常关键。当然，我们也不能排除镁离子也同时直接参与了对底物的催化反应。通过比较 Cpf1和Cas9复合物的结构发现，LHD区域推测可能是双链DNA底物结合的PAM区域。

该研究发现Cpf1在没有crRNA结合的状态下处于松散的构象，crRNA的结合引起Cpf1发生显著的构象变化。与Cas9结合sgRNA极为不同的 是，仅仅crRNA的重复序列部分（repeat sequence）就能引起Cpf1构象的巨大变化，这反映了这类短小的crRNA与Cas9结合的长sgRNA的识别机制的巨大差别。该结构显示来自于 H843、 K852以及K869催化残基侧链上的氮原子位于一个平面上，同时和RNA A(+20)的磷酸基团形成氢键，该结构证据表明Cpf1剪切pre-crRNA成为crRNA是一个碱催化的反应。

文章链接：

De Dong, et al. "The crystal structure of Cpf1 in complex with CRISPR RNA,"Nature (2016)doi:10.1038/nature17944

黄志伟教授简介：

哈尔滨工业大学生命科学与技术学院教授、博士生导师，Email：huangzhiwei2009@gmail.com

个人主页：点击此处进入

研究方向：

一、免疫和神经生物学领域的重要生物大分子（可溶/膜蛋白和核酸）的结构和功能的关系。细胞表面受体犹如天线一样感知胞外信号并对之做出反应。研究室对参与重要细胞信号转导的膜上受体/配体复合物，以及参与免疫和神经信号转导的重要胞内蛋白（复合物）分子的结构与功能的关系进行研究。二、天然免疫系统激活的信号通路的研究；免疫细胞（如巨噬细胞）分化、活性调节的信号分子及其信号转导机制.

（本文信息来源：哈尔滨工业大学网站；由e科网整理编辑）

如若转载，请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广，可以联系我们或免费注册拥有自己的主页