自然 | 张恒与邓增钦团队共同揭示新型CRISPR–Cas系统的分子功能原理

CRISPR-Cas系统是细菌和古菌应对外源基因入侵的适应性免疫机制。这个系统根据Cas效应蛋白的不同分为两大类七个类型。第一类系统由多个效应蛋白与向导RNA组成，包括I、III、IV和VII型；而第二类系统则由单个效应蛋白与向导RNA形成复合体，包括II、V和VI型。广泛应用的DNA和RNA编辑工具如Cas9、Cas12和Cas13，分别属于II、V和VI型系统。尽管I–VI型系统的功能和机制研究已经较为成熟，VII型系统作为一种候选CRISPR-Cas系统，其功能和机制仍需深入研究。

2024年8月14日，天津医科大学基础医学院生化系、天津市免疫学研究所的张恒团队，联合中国科学院武汉病毒所的邓增钦团队，在《Nature》期刊上发表了一篇题为《Structural basis for the activity of the type VII CRISPR-Cas system》的论文。研究表明，与其它CRISPR系统不同，VII型CRISPR复合体对核酸酶Cas14的招募依赖于底物RNA与crRNA序列的互补配对。通过细胞功能实验，研究团队证实，这一复合体能够特异性识别细胞内转录本，靶向敲低基因表达，并能够对抗噬菌体对宿主大肠杆菌的感染，显示出其具有真正的适应性免疫功能。底物RNA依赖的复合体组装使这一系统有可能被开发成为高精准的RNA靶向编辑工具。

为了揭示VII型CRISPR-Cas系统切割底物RNA的分子机制，团队对宏基因组来源的VII型系统复合体进行了生化表征及结构解析，获得了7种不同功能状态的高分辨电镜结构。这一分子量超过500 kDa的复合体由7个Cas7蛋白、1个Cas5蛋白、4个Cas14蛋白以及crRNA和底物RNA构成。与其它CRISPR系统不同，VII型系统通过一种独特的核酸酶Cas14执行切割底物RNA的活性，对单链和双链DNA无切割作用。Cas14在溶液中形成四聚体，具有Zn2+依赖的RNA内切酶及5'3'外切酶活性。

值得注意的是，底物靶序列两侧的序列（protospacer flanking sequence，PFS）通常会限制CRISPR工具对靶点的选择性。研究团队通过功能研究和结构验证，发现VII型系统的另一个独特之处在于，3'-PFS对底物切割无影响，而5'-PFS可以通过增加VII系统复合体中Cas14的结合位点影响对RNA底物的切割。这一发现为CRISPR系统的靶向选择提供了新的视角。

综合来看，该研究首次对VII型CRISPR-Cas系统进行了详细的功能表征，深入揭示了这一系统独特的组装机制、底物RNA识别和切割模式。研究结果为VII型CRISPR系统作为RNA操控工具在生物技术中的设计与开发奠定了坚实基础。

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