作者:李晨阳 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/1 13:50:02
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PNAS:中国学者揭示一种噬菌体抵抗宿主防御的机制

 

7月26日,中国科学院生物物理研究所王艳丽团队在PNAS杂志在线发表论文,揭示了噬菌体anti-CRISPR蛋白AcrIIC4抑制宿主Cas9监测复合物切割双链DNA活性的分子机制。

噬菌体是以原核生物为宿主的病毒,作为地球上数量最庞大的生物群体,对维持地球生态系统的有序运行意义重大。在噬菌体和宿主漫长的军备竞赛中,为抵御噬菌体的入侵,原核生物进化出了多种系统进行防御,例如限制修饰系统、CRISPR-Cas系统,以及近来不断涌现的多种引起流产感染的系统等。其中,CRISPR-Cas系统是已知的唯一一种适应性免疫系统。相应的,噬菌体进化出了anti-CRISPR蛋白抑制Cas蛋白的切割,从而保持自身基因组完整。

在已知的两大类六种类型CRISPR-Cas系统里,第二大类II型的Cas9效应蛋白已被广泛应用于基因编辑。针对Cas9的anti-CRISPR蛋白也不断被鉴定。对这些蛋白抑制机理的阐释,不仅可以增进人们对噬菌体与宿主间相互竞争关系的理解,而且有助于后续基因编辑工具的开发。

AcrIIC4也是一种anti-CRISPR蛋白,它在基因编辑过程中能高效抑制Cas9的活性,具有被开发为基因编辑调控工具的潜力。然而,由于缺乏AcrIIC4和Cas9复合物的结构,AcrIIC4发挥抑制的精确机制还不明确,而且在其能否阻止DNA结合方面存在争议。

为此研究人员解析了Cas9,向导RNA (sgRNA),AcrIIC4和靶标DNA之间的一系列结构,发现AcrIIC4结合到Cas9的两个识别结构域REC1和REC2之间,并与sgRNA建立了广泛相互作用,这样能限制住柔性较大的REC2结构域的运动。结构比较发现,有AcrIIC4存在时,靶标链(TS)和sgRNA只能形成七个碱基的异源双链配对,R-loop的形成被阻止在中间步骤。这与生化实验证据相印证:AcrIIC4能降低、但不完全阻止Cas9与DNA的结合。

进一步实验证明,AcrIIC4能阻止双链DNA在PAM远端解链,并对TS-guide RNA结合通道的形成有影响,从而阻止完整R-loop的形成,终止后续别构激活。此外,AcrIIC4抑制II-C型Cas9不同同源蛋白的能力差异较大。该研究通过一级序列和三维结构比对,结合体外切割实验,证明了sgRNA的第一个茎环长度的不同是导致这种差异的原因。这一发现对在不同Cas9编辑系统中应用AcrIIC4具有指导意义。

相关论文链接::https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2303675120

 

 

 

 
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