LbuCas13a-crRNA-target RNA 三元复合物的晶体结构

7 月 27 日，国际顶尖期刊《细胞》（Cell）杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所王艳丽组和章新政组在 VI 型 CRISPR-Cas 系统效应蛋白 Cas13a（亦称 C2c2）结构研究中取得的新进展。该研究成功解析了 Leptotrichia buccalis （Lbu） 细菌中 Cas13a 与 crRNA （CRISPR-RNA） 及其 target RNA 三元复合物 3.08Å的晶体结构、Cas13a 与 crRNA 二元复合物 3.2Å的电镜结构。研究结果证实，target RNA 的结合导致 LbuCas13a 的两个发挥 RNA 干扰功能的 HEPN 结构域发生构象变化，从而激发 LbuCas13a 非特异性地切割任意单链 RNA 的酶切活性。该成果为研究 Cas13a 发挥 RNA 酶活性的分子机制提供了重要的结构生物学基础。该研究是王艳丽课题组继今年 1 月于《细胞》首次报道 Leptotrichia shahii（Lsh）细菌中 Cas13a 与 crRNA 二元复合物以及 Cas13a 自由状态下的晶体结构后的又一重大突破。

几乎所有的古菌和约 50% 的细菌都具有 CRISPR-Cas 系统，用以抵抗病毒和质粒的侵染。CRISPR-Cas 系统分为两大类，Cas13a 是第二大类 VI 型系统中的效应蛋白，具有 RNA 介导的 RNA 酶切活性，是目前第二大类 CRISPR-Cas 系统发现的唯一能够降解 RNA 的蛋白（Cas9, Cpf1, C2c1 均是 RNA 介导的 DNA 核酸内切酶），对开发研究 RNA 工具，扩展 CRISPR 系统在基因编辑方面的运用具有重大价值。

在该研究中，研究人员利用 X -ray 晶体学的方法成功解析了 LbuCas13a-crRNA-target RNA 的三元复合物结构（3.08Å）。通过冷冻电镜技术，获得了 3.2Å LbuCas13a-crRNA 的二元复合物结构。结构显示，Cas13a 具有 REC 和 NUC 两个叶片，其中 NUC 叶片包含两个 HEPN 结构域、Helical- 2 结构域以及连接两个 HEPN 结构域的连接结构域，两个 HEPN 结构域组成了 Cas13a 切割 target RNA 的活性区域。crRNA 识别序列互补的目的 RNA，并与之结合形成双链 RNA 并被 NUC 叶片包围。同时，双链 RNA 的形成引起 crRNA 和 Cas13a 蛋白的构象变化，促使两个 HEPN 结构域相互靠近，进而激活 Cas13a 蛋白。研究人员通过结构和功能研究证明，由 crRNA 和 target RNA 激活的 Cas13a 能切割任意单链的 RNA。

该研究发现为 CRISPR-Cas13a 系统的进一步开发提供了可靠的结构基础，对深入理解细菌抵御病毒入侵的分子机制提供了强有力的证据，并将对病毒引起的疾病的预防、检测、控制与治疗产生重大意义，特别是基于 Cas13a 高效的 RNA 酶切活性，在应用于各类重大疾病的快速检测具有十分广阔的前景。