像人類一樣，細(xì)菌和古生菌也會(huì)受到病毒的攻擊。這些微生物已經(jīng)發(fā)展出自己的免疫防御策略來對(duì)抗病原體。細(xì)菌防御，如CRISPR-Cas系統(tǒng)，具有不同的蛋白質(zhì)和功能，幫助細(xì)菌保護(hù)自己免受外來入侵者的侵害。這種防御基于一種常見的機(jī)制:作為“引導(dǎo)RNA”的CRISPR核糖核酸(crRNA)，有助于檢測(cè)外源基因組的區(qū)域，如病毒的DNA，以進(jìn)行靶向切割。由crRNA引導(dǎo)的CRISPR相關(guān)核酸酶(Cas)可以像剪刀一樣切割其目標(biāo):這是人類在許多技術(shù)中利用的一種自然策略。

Chase Beisel說:“考慮到不同的核酸酶已經(jīng)很好地轉(zhuǎn)化為新的和改進(jìn)的技術(shù)，這一領(lǐng)域的任何發(fā)現(xiàn)都可能給社會(huì)帶來新的好處。”Beisel與美國(guó)密蘇里州Benson Hill公司的Matthew Begemann和猶他州立大學(xué)的Ryan Jackson共同發(fā)起了目前對(duì)一套特定的CRISPR-Cas系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果于今天發(fā)表在Nature雜志，與此同時(shí)，由德克薩斯大學(xué)的 Ryan Jackson和David Taylor 領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

與其他已知的CRISPR核酸酶不同  

“我們正在探索最初與Cas12a聚集在一起的CRISPR核酸酶，這種核酸酶通過識(shí)別和切割侵入性DNA來保護(hù)細(xì)菌。一旦我們發(fā)現(xiàn)了更多的，我們就意識(shí)到它們與Cas12a有足夠的不同，可以進(jìn)行更深入的研究，”該研究的第一作者Oleg Dmytrenko說。”這一探索使我們發(fā)現(xiàn)，這些被我們稱為Cas12a2的核酸酶不僅與Cas12a有很大的不同，而且與任何其他已知的CRISPR核酸酶也有很大的不同。”

最關(guān)鍵的區(qū)別在于防御行動(dòng)的機(jī)制。當(dāng)Cas12a2識(shí)別侵入性RNA時(shí)，核酸酶將其裂解，但也可以破壞細(xì)胞內(nèi)的其他RNA和DNA，損害其生長(zhǎng)并限制感染的擴(kuò)散。”一般來說，這種阻止感染的防御策略在細(xì)菌中已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，”HIRI博士后Oleg Dmytrenko說。”其他一些CRISPR-Cas系統(tǒng)也是這樣工作的。然而，基于CRISPR的防御機(jī)制依賴于單個(gè)核酸酶來識(shí)別入侵者并降解細(xì)胞DNA和RNA，這在以前還沒有被觀察到。”

細(xì)節(jié)

Cas12a2的蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)將該核酸酶與Cas12a區(qū)分開來。Cas12a2被一個(gè)原間隔區(qū)側(cè)翼序列(PFS)激活，識(shí)別與引導(dǎo)RNA互補(bǔ)的目標(biāo)RNA。靶向RNA觸發(fā)側(cè)鏈核酸切割，從而降解RNA、單鏈DNA和雙鏈DNA。這種活動(dòng)導(dǎo)致細(xì)胞停滯，可能是通過破壞細(xì)胞中的DNA和RNA，從而損害生長(zhǎng)。Cas12a2可用于分子診斷和RNA生物標(biāo)記物的直接檢測(cè)，這已被原理證明。

毀滅性的裂痕  

在另一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)核酸酶的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析（同期Nature另一篇文章）Cas12a2在免疫反應(yīng)的不同階段與RNA靶標(biāo)結(jié)合后，發(fā)生了重大的結(jié)構(gòu)變化。這反過來又導(dǎo)致核酸酶出現(xiàn)一個(gè)暴露的裂縫，它可以粉碎它遇到的任何核酸——無論是RNA、單鏈DNA還是雙鏈DNA。該研究還發(fā)現(xiàn)了使Cas12a2突變的方法，以改變核酸酶在識(shí)別其RNA目標(biāo)后降解的核酸。這些細(xì)節(jié)為未來開辟了潛在的廣泛技術(shù)應(yīng)用。

Dmytrenko O, Neumann GC, Hallmark T, Keiser DJ, Crowley VM, Vialetto E, Mougiakos I, Wandera KG, Domgaard H, Weber J, Gaudin T, Metcalf J, Gray BN, Begemann MB, Jackson RN, Beisel CL (2023). Cas12a2 elicits abortive infection via RNA-triggered destruction of dsDNA. Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05559-3,

Bravo JPK, Hallmark T, Naegle B, Beisel CL, Jackson RN, Taylor DW (2023). Large-scale structural rearrangements nleash indiscriminate nuclease activity by CRISPR-Cas12a2. Nature, DOI: 10.1038/s41586-022-05560-w