Nature：清华大学刘俊杰等发现CRISPR免疫增效子，建立Cas9核酸酶生长进化模型

2024年5月29日，清华大学生命学院刘俊杰（Jun-Jie Gogo Liu）课题组联合北京大学生命学院白洋课题组和清华大学生命学院陈春来课题组，在" Nature "期刊上发表了一篇题为" Pro-CRISPR PcrIIC1-associated Cas9 system for enhanced bacterial immunity "的研究论文。
该研究开发了一套结构生长轨迹分析方法（structural growth trajectory analysis，SGT analysis），鉴定出II-C亚型Cas9的进化趋势，首次发现了一类新型的CRISPR免疫增效子——Pro-CRISPR，其通过二聚化Cas9效应器提升Cas9活性。

    这些发现不仅有助于我们进一步理解CRISPR系统的进化历程，还为未来基于CRISPR免疫增效子的高效基因编辑工具的开发奠定了基础。

为了进一步探究PcrIIC1增强Cas9活性的具体机制，研究团队利用冷冻电镜解析高分辨结构发现，CbCas9-PcrIIC1复合物的能力增强来源于复合物中的两个CbCas9能够结合同一条长链DNA，通过更强的电荷相互作用，使得该复合物的DNA结合能力增强。并且，复合体中的两个CbCas9通过协同作用，使得长链DNA发生扭曲和变构，更容易被解旋，从而促进了CbCas9-PcrIIC1复合物的DNA干扰能力。同时，研究团队还发现，两个CbCas9能够对称地分别靶向长链DNA的两条单链上的靶标序列，从而提高其在基因组上搜寻靶标的效率。

    最后，为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响，研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验结果表明PcrIIC1显著提升CbCas9系统对噬菌体的抵抗，且如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用，会导致增强的免疫力丧失。以上结果说明CbCas9-PcrIIC1复合体的形成对整个CRISPR-Cas系统的免疫增强至关重要。

总的来说，研究团队首次通过大规模结构预测揭示了II-C型Cas9蛋白从紧凑型到大型的进化轨迹并鉴定出新型关联基因（NAG）。NAG仅在II-C型基因簇上被发现，并且主要与分子量较大的Cas9蛋白偶联。特别是，其中一种新型关联基因编码的PcrIIC1作为一种CRISPR免疫增效子（pro-CRISPR），与CbCas9形成异源四聚体功能性复合物，通过二聚化CbCas9显著增强其对DNA底物的识别、靶向和切割的能力，最终提高了细菌对噬菌体的免疫力。这些发现不仅有助于我们进一步理解CRISPR系统的进化历程，还为未来基于CRISPR免疫增效子的高效基因编辑工具的开发奠定了基础。

【本文来源】医诺维

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