CRISPR-Cas13系統(tǒng)能夠靶向編輯RNA，被稱(chēng)為“RNA魔剪”。隨著科學(xué)家們研究的深入，其家族成員不斷壯大。近日，發(fā)表在《自然·通訊》的一項(xiàng)成果，揭開(kāi)了“RNA魔剪”家族最年輕成員“CRISPR-Cas13d”的神秘面紗。

這項(xiàng)成果來(lái)自福建師范大學(xué)歐陽(yáng)松應(yīng)教授團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)解析了瘤胃球菌的Cas13d蛋白（簡(jiǎn)稱(chēng)UrCas13d）與crRNA二元復(fù)合物高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，揭示了UrCas13d加工前體crRNA的酶活性關(guān)鍵位點(diǎn)，鑒定了crRNA的間隔序列和靶向RNA之間的錯(cuò)配耐受性等之前尚未研究清楚的問(wèn)題。

“這就像飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師獲得了設(shè)計(jì)并制造一架飛機(jī)的圖紙與工序，為修理或設(shè)計(jì)出更出色的飛機(jī)提供了藍(lán)圖?！睔W陽(yáng)松應(yīng)表示，這為進(jìn)一步改造Cas13d作為核酸編輯及檢測(cè)工具，并發(fā)揮其在解決人類(lèi)疾病與健康等問(wèn)題上的應(yīng)用潛力，提供了扎實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

“RNA魔剪”應(yīng)用潛力巨大

CRISPR-Cas系統(tǒng)是一種原核生物（細(xì)菌和古細(xì)菌）的免疫防御系統(tǒng)，該系統(tǒng)表達(dá)的非編碼RNA（crRNA）及其相關(guān)Cas蛋白組成的復(fù)合物，使得原核生物能夠識(shí)別并且“撕碎”入侵噬菌體的核酸物質(zhì)（DNA或者RNA），用以保持自身遺傳物質(zhì)的“純潔”，在原核生物的進(jìn)化中起到重要作用。

“正是由于這種精確地靶向切割特定核酸序列的功能，CRISPR-Cas系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)成高效的基因編輯工具，可以對(duì)遺傳物質(zhì)DNA或RNA，進(jìn)行依賴(lài)核酸序列信息的精確識(shí)別和切割。”歐陽(yáng)松應(yīng)說(shuō)，其中名聲在外的CRISPR-Cas9系統(tǒng)可以高效地編輯DNA序列，用于糾正個(gè)體細(xì)胞內(nèi)的基因缺陷，給眾多遺傳疾病和罕見(jiàn)病治療帶來(lái)了希望，該系統(tǒng)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)入到臨床研究階段，具有治愈或預(yù)防多種人類(lèi)疾病的潛力。

近年來(lái)，源于生物學(xué)研究及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，一類(lèi)可以特異地靶向檢測(cè)與編輯RNA的CRISPR-Cas系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)并報(bào)道出來(lái)，命名為Cas13（包括了a、b、c、d四個(gè)家族成員）系統(tǒng)。這一針對(duì)RNA的編輯工具可以在RNA水平調(diào)節(jié)基因的功能，而不會(huì)對(duì)基因本身造成永久性改變。

2018年4月，美國(guó)索爾克研究所一個(gè)課題組和美國(guó)Arbor生物技術(shù)公司的課題組分別報(bào)道了通過(guò)生物信息學(xué)方法篩選，并經(jīng)過(guò)功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的新型Cas蛋白，命名為Cas13d。作為最年輕的成員，Cas13d與其他“兄弟姐妹”在功能上有著相似之處，但更有其獨(dú)特之處。

“關(guān)鍵在于大小。”歐陽(yáng)松應(yīng)介紹，Cas13d的蛋白序列長(zhǎng)度約為930個(gè)氨基酸，比其他Cas13家族成員明顯偏小，比Cas9更是小33%，這種尺寸使其更容易包裝到容量較小的載體中，如腺相關(guān)病毒（AAV）載體，因此在開(kāi)發(fā)新藥、新材料和新的診斷方法上具有廣泛應(yīng)用潛力。

獲得新型“魔剪”高分辨率晶體結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)生物學(xué)是分子生物學(xué)、生物化學(xué)及生物物理學(xué)的分支學(xué)科，關(guān)心的是生物大分子（例如蛋白質(zhì)分子和核酸分子）的分子三維結(jié)構(gòu)（包括構(gòu)架和形態(tài)），獲得它們的結(jié)構(gòu)信息，并研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。

“所有的生命活動(dòng)都是通過(guò)各種生物大分子的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，而結(jié)構(gòu)生物學(xué)能夠解釋生物大分子的構(gòu)象和相互作用的方式，從原子水平揭示生命過(guò)程的詳細(xì)機(jī)制，使人們‘知其然而知其所以然’?！睔W陽(yáng)松應(yīng)告訴記者，目前結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究范圍已經(jīng)涉及到大多數(shù)重要的生命活動(dòng)，分子生物學(xué)的每一個(gè)前沿突破都與結(jié)構(gòu)生物學(xué)密切相關(guān)。

在本研究中，歐陽(yáng)松應(yīng)課題組將結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生命科學(xué)前沿研究課題結(jié)合，解析了UrCas13d蛋白和crRNA二元復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，可以直觀看到每一個(gè)原子的位置及它們之間的相互作用細(xì)節(jié)信息。

“當(dāng)入侵者到來(lái)，CRISPR-Cas系統(tǒng)會(huì)在‘指揮官’（前導(dǎo)序列）的調(diào)控下轉(zhuǎn)錄出兩種‘防御材料’，其中一種就是前體crRNA，另一種是我們研究的Cas蛋白。”歐陽(yáng)松應(yīng)比喻說(shuō)。這一研究清楚地解釋了Cas13d這把“新型魔剪”，究竟采用了什么樣的空間結(jié)構(gòu)布局來(lái)加工前體crRNA，并如何結(jié)合成熟的crRNA，形成具有識(shí)別靶向RNA能力的功能復(fù)合物，從而進(jìn)一步研究清楚該蛋白具有的crRNA依賴(lài)的RNase活性的分子機(jī)理。

相關(guān)研究表明，Cas13d可做為一種強(qiáng)大RNA編輯工具，用于糾正老年癡呆癥患者細(xì)胞中引起疾病的蛋白質(zhì)失衡。同時(shí)，Cas13d可以作為一種可操控的RNA結(jié)合模塊，有效靶向細(xì)胞內(nèi)的RNA轉(zhuǎn)錄物，為轉(zhuǎn)錄組工程和疾病治療提供了一個(gè)通用平臺(tái)。

“該研究揭開(kāi)了CRISPR-Cas13d系統(tǒng)的神秘面紗，對(duì)其技術(shù)機(jī)制特點(diǎn)有了更深刻理解，有助于這項(xiàng)技術(shù)更廣泛地應(yīng)用，從而造福人類(lèi)?！睔W陽(yáng)松應(yīng)說(shuō)。