生物通報(bào)道  來自Broad研究所和麻省理工學(xué)院的研究人員與東京大學(xué)的同事們聯(lián)手，生成了CRISPR-Cas 系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分——Cas9復(fù)合體的第一張高分辨率圖像。近年來科學(xué)家們開始利用Cas9復(fù)合體作為一種基因組編輯工具來沉默基因，探究細(xì)胞生物學(xué)。這些發(fā)表在本周《細(xì)胞》（Cell）雜志上的研究成果，有望幫助研究人員改良及進(jìn)一步操控這一工具加速基因組研究，使得這一技術(shù)更加接近應(yīng)用于人類遺傳疾病治療。

于1987年在細(xì)菌中首次被發(fā)現(xiàn)，直到近期CRISPR（成簇的規(guī)律間隔短回文重復(fù)序列，clustered regularly interspaced short palindromic repeats）才被用作為基因組編輯工具。這些工具使得研究人員能夠?qū)θ祟惢�因組30億堿基序列中的一些“拼寫錯(cuò)誤”進(jìn)行導(dǎo)向目標(biāo)追蹤，除去甚至是改變問題序列。Cas9復(fù)合體對(duì)于這一過程至關(guān)重要，其是由CRISPR“切割”酶Cas9以及將Cas9酶引導(dǎo)至DNA靶點(diǎn)的一段“導(dǎo)向”RNA構(gòu)成。

論文的共同資深作者、Broad研究所核心成員、McGovern腦研究所研究員、麻省理工學(xué)院副教授張鋒（Feng Zhang）說：“我們將Cas9復(fù)合體視作是我們可以用來靶向基因組精確位點(diǎn)的終極制導(dǎo)導(dǎo)彈。這項(xiàng)研究提供了整個(gè)系統(tǒng)的示意圖——它指明了導(dǎo)彈（Cas9蛋白）、將導(dǎo)彈送至正確位置的編程指令（導(dǎo)向RNA），以及靶DNA。它還揭示了這些部件是如何協(xié)同作用使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的秘密。”

為了解構(gòu)這一系統(tǒng)，張鋒與論文的共同資深作者、東京大學(xué)的Osamu Nureki一起組織研究小組解開了這一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

論文的第一作者、京東大學(xué)Nureki實(shí)驗(yàn)室生物物理學(xué)和生物化學(xué)助理教授Hiroshi Nishimasu說：“基于Cas9的基因組編輯技術(shù)大大地改變了廣泛的生命科學(xué)領(lǐng)域，促成了許多新的試驗(yàn)技術(shù)，因此我和我的同事們對(duì)于能與張鋒實(shí)驗(yàn)室一起合作開展這項(xiàng)重要的研究感到非常興奮。”

這兩個(gè)研究小組密切合作，揭示了Cas9復(fù)合體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并測試了它們的功能重要性。他們的努力揭示出了Cas9復(fù)合體的內(nèi)部分工。研究人員確定了Cas9蛋白是由兩個(gè)裂片（lobe）組成：一個(gè)參與識(shí)別RNA和DNA元件，另一個(gè)裂片負(fù)責(zé)裂解靶DNA，導(dǎo)致雙鏈斷裂，破壞靶基因功能。研究小組還發(fā)現(xiàn)了Cas9與導(dǎo)向RNA接口的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其使得Cas9在準(zhǔn)備切割DNA鏈時(shí)環(huán)繞RNA和靶DNA自組裝。

鑒別出Cas9復(fù)合體的關(guān)鍵特征，應(yīng)該可以促使研究人員改良基因組編輯工具，從而更好地滿足他們的需求。

張鋒說：“直到現(xiàn)在，合理操控Cas9仍是一件非常困難的事情。有了這一結(jié)構(gòu)信息，現(xiàn)在我們就能夠采用一種原理方法來操控這一蛋白使得它更為有效。”

當(dāng)前，Cas9在實(shí)驗(yàn)中被用于沉默哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因——有時(shí)針對(duì)整個(gè)基因組的多個(gè)位點(diǎn)，并且一些大型的RNA序列文庫被構(gòu)建出來用于將Cas9引導(dǎo)至目的基因。但這一系統(tǒng)只能靶向一些特定類型的位點(diǎn)。一些研究還表明，RNA有可能引導(dǎo)Cas9“脫靶”，有可能導(dǎo)致細(xì)胞機(jī)器內(nèi)部出現(xiàn)一些意想不到的問題。

研究人員計(jì)劃利用這一新的、詳細(xì)的Cas9復(fù)合體圖像來解決這些擔(dān)憂。

研究作者、張鋒實(shí)驗(yàn)室研究生F. Ann Ran說：“了解這一結(jié)構(gòu)或許可幫助我們解決Cas9復(fù)合體當(dāng)前的一些局限性。在未來，使得我們能夠設(shè)計(jì)出一些更特異性地滿足我們研究需要的編輯工具版本。我們甚至或許可以改變Cas9靶向的核酸序列類型。”

如果要將CRISPR-Cas系統(tǒng)發(fā)展為治療遺傳疾病的一種治療工具，這樣的技術(shù)改進(jìn)將是必要的。

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文索引：

Nishimasu H et al. "Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA." Cell DOI: 10.1016/j.cell.2014.02.001