Science：从结构上揭示CRISPR/Cas系统的Cas1-Cas2整合酶发现靶DNA机制

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CRISPR/Cas系统是在很多细菌中发现的一种免疫系统。在细菌中，这种系统依赖Cas1-Cas2整合酶捕获和整合短的外源DNA片段到它们的基因组中的CRISPR位点上，从而能够抵抗相同病毒的再次入侵。

蛋白IHF（蓝色）在CRISPR短回文重复序列的上游产生一种个急转弯，从而允许Cas1-Cas2（绿色和黄色）识别和结合插入位点。图片来自Addison Wright, UC Berkeley。

在一项新的研究中，来自美国加州大学伯克利分校的研究人员发现Cas1-Cas2如何找出它们将病毒DNA片段插入到细菌基因组中的这个位点，这样Cas1-Cas2随后就能够识别这种病毒DNA片段和发起攻击。相关研究结果于2017年7月20日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structures of the CRISPR genome integration complex”。

　　Cas1-Cas2依赖于CRISPR序列的独特灵活性来识别它为病毒DNA片段应当被插入的位点，从而确保对之前的病毒感染的“记忆”正确地被储存起来。

　　在这项研究中，论文通信作者Jennifer Doudna和她的研究团队利用电子显微技术和X射线晶体分析技术捕获到Cas1-Cas2将病毒DNA片段插入到细菌基因组的CRISPR区域中时的结构图。

　　这些结构图揭示出第三种蛋白IHF（在Cas1-Cas2整合酶中，Cas1是第一种蛋白，Cas2是第二种蛋白）结合到这个插入位点的附近，让靶DNA弯曲成一种U形结构，从而允许Cas1-Cas2同时结合到靶DNA的两个末端上。论文第一作者Addison Wright（研究生）、Jun-Jie Liu（博士后研究员）与论文共同作者Gavin Knott、Kevin Doxzen和Eva Nogales一起发现这种反应要求靶DNA弯曲和部分解链，而且这种情形仅在适当的靶DNA上发生。

　　在CRISPR/Cas系统中，CRISPR是规律间隔性成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats）的简称，涉及细菌基因组中的独特DNA区域，也是储存病毒DNA片段从而允许细胞能够识别任何试图再次感染它的病毒的地方。Cas是CRISPR相关蛋白（CRISPR-associated proteins, Cas）的简称，Cas蛋白像一把分子剪刀那样切割细菌基因组上的靶DNA。这些短回文重复序列发挥着识别信号的作用，引导Cas1-Cas2添加新的病毒DNA片段，从而让这些病毒DNA片段在这些“短回文重复序列”中间隔排列。

　　Wright 说，Cas1-Cas2对这些短回文重复序列的特异性识别使得病毒DNA片段的整合仅局限在这种CRISPR阵列上，从而允许它对病毒产生免疫力，并且避免将病毒DNA片段插入到错误的位点而产生潜在的致命影响。

　　尽管很多DNA结合蛋白直接“读取”它们的识别序列上的核苷酸，但是Cas1-Cas2通过更加间接的方式识别这些短回文重复序列：它们的形状和灵活性。除了编码蛋白之外，一段DNA的核苷酸序列也确定着它的物理性质：一些序列起着柔性铰链的作用，而其他的序列形成刚性的杆状结构。这些短回文重复序列的核苷酸序列允许它们仅以正确的方式弯曲，从而允许Cas1-Cas2根据形状识别它们的靶标。

　　美国哈佛大学George Church实验室之前开展的一项研究已证实Cas1-Cas2的信息储存能力能够被改用为记录一部视频的帧而不是病毒序列，而且也可能被用来记录其他类型的信息（Nature, doi: doi:10.1038/nature23017，详情参见新闻报道：重磅！利用CRISPR–Cas系统将数字视频存储到一群细菌的基因组中https://news.bioon.com/article/6706607.html）。

　　发现Cas1-Cas2如何识别它们的靶标为修饰这些蛋白打开大门。通过调整这些蛋白，科学家们可能能够将它们重定向到CRISPR短回文重复序列之外的序列上，从而将它们的应用到扩展到没有CRISPR位点的有机体中。

　　参考资料：Addison V. Wright, Jun-Jie Liu, Gavin J. Knott et al. Structures of the CRISPR genome integration complex. Science, Published online 20 Jul 2017, doi:10.1126/science.aao0679