CRISPR 基因與基因體學 生物物理與結構生物學 科學報導 結構生物學

大腸桿菌中 CRISPR/Cas 系統複合物的晶體結構解密

找出精確剪接基因的方法一直是科學家們努力的目標,CRISPR/Cas 系統 (Clustered regularly interspaced short palindromic repeats/ CRISPR-associated sequence) 的發現和應用正是基因編輯的一個重大里程碑。CRISPR/Cas系統 是細菌及古菌的後天免疫系統,能夠幫助它們對抗外來嗜菌體或質體。CRISPR 正如其名,在重複的序列間有數組 spacer sequence,其轉譯出的 crRNA 和 Cas 蛋白 (CRISPR-associated protein) 形成複合物,即能夠辨識目標核酸並將之切割。

大腸桿菌中的 I–E subtype CRISPR/Cas system,是由五個 Cas 蛋白 (CasA1B2C6D1E1) 的十一個次單元和 crRNA 一同組成 405 kDa 的 Cascade complex,而本篇研究則解構了此複合物的 3.05 Å X射線晶體結構。61 個核甘酸的 crRNA 橫跨了 Cas 蛋白的十一個次單元,其 3 端和 5 端的重複序列分別錨定於 CasD 和 CasE ,並且和 6 個 CasC 次單元有交互作用。crRNA 的 spacer sequence 坐落於由 6 個 CasC 次單元所構成的連續凹槽中,五個來自 CasC2 到 CasC6 次單元的長 β hairpin 延伸跨越 crRNA ,因而將 spacer sequence 分成五段,而每個片段包含五個堆疊的鹼基並側接一個翻轉的鹼基 (flipped-out base),而翻轉鹼基的位置恰位於 β hairpin 跨越 crRNA 處 (圖)。

更進一步,這樣的結構也解釋了為何 crRNA 的種子序列 (seed sequence,crRNA 成功辨識目標核酸時必需完全正確對應的序列)在目標基因辨認上扮演了極重要的角色。本研究嘗試用更新穎的角度來觀察 cascade complex 中蛋白質與 RNA 、蛋白質的排列和 CRISPR/Cas 系統發揮功能之間的關聯。

圖 a. E.coli (K12) 的 I–E subtype CRISPR system 由 8 個 Cas protein 和 CRISPR locus 組成。b. Cascade C complex 全貌。c. Cascade 的示意圖。每個次單元在外層有凸出的結構 long hairpin 可以固定 crRNA spacer,有維持蛋白質結構與協助辨認目標基因的功能。

撰稿|童柏雅

修訂|任怡昕

參考文獻:

  1. Zhao, H., Sheng, G., Wang, J., Wang, M., Bunkoczi, G., Gong, W., … & Wang, Y. (2014). Crystal structure of the RNA-guided immune surveillance Cascade complex in Escherichia coli. Nature515(7525), 147.

  doi:  10.1038/nature13733

圖片網址:https://www.nature.com/articles/nature13733

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