解码基于RNA的CRISPR系统的结构

在过去几年中，CRISPR-Cas9已经超越了实验室工作台，进入了公共时代精神。这种基因编辑工具CRISPR-Cas9有望纠正个体细胞内的缺陷，并有可能治愈或预防许多人类疾病。但是Cas9系统改变了DNA，而不是RNA，一些专家认为能够最终修改RNA可能同样有用。

现在，Salk研究所的科学家们首次报道了CRISPR-Cas13d的详细分子结构，这是一种用于新兴RNA编辑技术的有希望的酶。他们能够通过低温电子显微镜(cryo-EM)对酶进行可视化，这是一项尖端技术，使研究人员能够以前所未有的细节捕获复杂分子的结构。该研究结果于2018年9月20日在Cell杂志上报道。

“本文提供了RNA靶向基因工程的分子蓝图，”Salk助理教授Dmitry Lyumkis说，他是一名结构生物学家，也是该研究的相应作者之一。“它增加了进行这种重要生物医学研究所需的广泛工具。”

源自最初在细菌中发现的基因，CRISPR被描述为“分子剪刀”或“活细胞的文字处理程序”。它将一段遗传密码换成另一段遗传密码。在CRISPR-Cas9系统中，Cas9是切割DNA的酶。然而，拥有RNA的编辑工具将允许科学家修改基因的活动，而不会对基因本身进行永久性 - 并且可能是危险的 - 改变。

“DNA是不变的，但是从DNA中复制的RNA信息总是在变化，”Salk研究助理Silvana Konermann说，他是霍华德休斯医学研究所的汉娜格雷研究员，也是该研究的第一作者之一。“通过直接控制RNA来调节这些信息对于影响细胞的命运具有重要意义。”

今年早些时候，Konermann和Helmsley-Salk研究员Patrick Hsu在Cell上发表了另一篇论文，发现了名为CRISPR-Cas13d的酶家族，并报道了这种替代CRISPR系统在识别和切割RNA方面是有效的。该团队还表明，该工具可用于纠正痴呆症患者细胞中引起疾病​​的蛋白质失衡。

这项新研究是Lyumkis和Hsu实验室之间的合作，建立在Cas13d家族的发现基础之上，并提供解释其工作原理的分子细节。

“在我们之前的论文中，我们发现了一个新的CRISPR家族，可用于直接在人体细胞内部设计RNA，”Hsu说，他是这项新工作的另一位作者。“现在我们已经能够可视化Cas13d的结构，我们可以更详细地看到酶如何被引导到RNA以及它如何能够切割RNA。这些见解使我们能够改进系统并使这个过程更有效，为治疗基于RNA的疾病的新策略铺平了道路。“

该团队使用cryo-EM通过在不同的动态状态下冷冻酶来揭示Cas13d的新细节，使研究人员能够解码一系列活动，而不是仅在一个时间点看到一个活动。

“这使我们能够看到Cas13d如何引导，结合和靶向RNA，”Lyumkis实验室的研究助理Cheng Zhang和该论文的另一位第一作者说。“我们希望这些新知识能够帮助扩展基因编辑工具的功能。”

该论文的其他作者是Salk的Nicholas J. Brideau和Peter Lotfy;怀特黑德生物医学研究所吴学兵;斯克里普斯研究所的斯科特J.诺维克，蒂莫西斯特鲁岑贝格和帕特里克格里芬。

这项工作得到了霍华德休斯医学研究所Hannah H. Gray奖学金的支持;Helen Hay Whitney基金会奖学金;美国国立卫生研究院授予NIH-NCI CCSG P30 014195，DP5 OD021369，DP5 OD021396和U54GM103368;和赫尔姆斯利慈善信托基金会。