双功能
anti-CRISPR
蛋白的作用机理
针对来自于宿主
CRISPR-Cas
系统的高效攻击,噬菌体进化出了不同的抵
抗策略,包括靶向序列的突变、
DNA
修饰以及编码
anti-CRISPR (Acr)
蛋白等。
其中,
anti-CRISPR
蛋白是一类抑制
CRISPR-Cas
系统活性的小蛋白。自
2013
年首次发现至今,已经有超过一百种抑制不同类型
CRISPR-Cas
系统的
Acr
蛋
白被鉴定。这些
Acr
蛋白大小较小,彼此之间无显著的序列同源性。它们采用不
同的机制,在
Cas
蛋白
- RNA
复合物识别切割靶标核酸的不同阶段发挥抑制作
用,具有开发为基因编辑调控元件的巨大潜力。
2024
年
2
月
28
日,中国科学院生物物理研究所王艳丽团队在《
Nature
Communications
》杂志在线发表了题为
"An anti-CRISPR that represses its
own transcription while blocking Cas9-target DNA binding"
的研究论文,揭示了
葡萄球菌属前噬菌体来源的
anti-CRISPR
蛋白
AcrIIA15
的双功能机制:既可以
抑制宿主
CRISPR-Cas9
系统的切割活性,保护噬菌体基因组免遭破坏,又可以
调控
Acr
自身的转录,避免过量
Acr
表达导致的噬菌体适应度下降。
AcrIIA15
包含
N
端和
C
端两个结构域
(
图
A)
。单独
C
端结构域
(CTD)
即可抑
制金黄色葡萄球菌来源的
II-A
型
Cas9
蛋白
(SaCas9)
的活性,而
SaCas9
目前
已被广泛应用于基因编辑。该研究发现只有在单向导
RNA (sgRNA)
结合到
Cas9
上时,
AcrIIA15
才能以较强的亲合力与
SaCas9
结合。因此,研究人员解析了
SaCas9
,向导
RNA
和
AcrIIA15 CTD
三元复合物的电镜结构
(
图
B)
,发现
AcrIIA15
表面负电性很强,可以从电荷和形状两方面模拟双链
DNA
,结合到
Cas9
用于识别前间隔子邻近基序
(PAM)
的口袋里,从而抑制
Cas9
对靶标
DNA
的识别。
此外,
AcrIIA15
还是一种转录抑制因子。作者首先利用结合实验证明了全长
AcrIIA15
和
N
段结构域
(NTD)
均能以较强的亲和力结合两段反向重复序列
DNA
,
而单独
CTD
则不能。接着,通过解析
AcrIIA15
与反向重复序列的一系列晶体结
构(图
C
),发现
NTD
能够介导
AcrIIA15
形成二聚体。每个
NTD
包含一个
helix-turn-helix (HTH)
基序,可以插入到反向重复双链
DNA
序列的大沟与其结
合。由于该反向重复序列位于启动子附近,
AcrIIA15
的结合会阻碍体内
RNA
聚
合酶的招募,从而抑制转录。进一步的,作者通过荧光蛋白报道实验证实了
AcrIIA15
的体内转录抑制功能。
Acr
蛋白的转录抑制调控对于噬菌体的完整生命周期意义重大。以往常见的
Acr
蛋白的转录调控是通过
Acr
相关蛋白
(Aca)
完成,而包括
AcrIIA15
在内的少
数
Acr
蛋白则采用了特殊的双功能机制。该工作中,研究人员最终解析了
AcrIIA15
二聚体同时与
Cas9-sgRNA
和反向重复序列结合的复合物电镜结构
(
图
D)
,提供了
AcrIIA15
在分子层面上实现双重抑制的全景图像。这增进了人们对
Acr
抑制机制的理解,并为后续将
AcrIIA15
开发为基因编辑调控工具提供了结构
生物学的信息支撑。
图:
AcrIIA15
既可以抑制
Cas9
的活性,又可以调控自身转录
中国科学院生物物理研究所的王艳丽研究员为论文的通讯作者,博士研究生
邓谢淑婷为第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导
科技专项
(B
类
)
和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。生物物理所生物成
像中心和科学研究平台分别为电镜数据收集和生化实验的开展提供了技术支持。
文章链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45987-5
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