科学家们已经详细描述了已知最小的CRISPR-Cas13系统之一CRISPR-Cas13bt3的三维结构。CRISPR-Cas13bt3用于RNA修饰，其操作方式与同一家族中的其他蛋白质不同。这一发现使他们能够提高工具的精度，使其能够更好地进入和传递到目标编辑位点，从而有望通过靶向RNA更有效地对抗病毒。

小而精确:这些是获得诺贝尔奖的CRISPR系统的理想特征，该技术用于编辑RNA和DNA等核酸。

来自莱斯大学的科学家详细描述了已知最小的CRISPR-Cas13系统之一的三维结构，该系统用于切碎或修饰RNA，并利用他们的发现进一步设计该工具以提高其精度。根据发表在《自然通讯》上的一项研究，这种分子的工作原理与同一家族的其他蛋白质不同。

“有不同类型的CRISPR系统，我们研究的重点是CRISPR- cas13bt3，”帮助领导这项研究的德克萨斯学者生物科学和癌症预防研究所助理教授Yang Gao说。“它的独特之处在于它非常小。通常，这些类型的分子含有大约1200个氨基酸，而这种分子只有大约700个氨基酸，所以这已经是一个优势了。”

Emmanuel Osikpa(左起)和Xiangyu Deng。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University

杨高说，小尺寸是一个优势，因为它可以更好地访问和传送到目标编辑网站。

与CRISPR系统相关的Cas9蛋白-通常靶向DNA - cas13相关系统靶向RNA不同，中间的“指导手册”将DNA中编码的遗传信息翻译成组装蛋白质的蓝图。

研究人员希望这些RNA靶向系统可以用于对抗病毒，病毒通常使用RNA而不是DNA来编码其遗传信息。

“我的实验室是一个结构生物学实验室，”杨高说。“我们试图了解的是这个系统是如何工作的。所以我们的部分目标是能够在三维空间中看到它，并创建一个模型来帮助我们解释它的机制。”

低温电子显微镜生成的最小CRISPR-Cas13bt3分子模型。要被识别和切割的RNA是浅蓝色的，而剪刀是由品红和青色区域组成的。控制CRISPR-Cas13bt3的两个环分别用绿色和红色表示。图片来源:杨高实验室/莱斯大学提供

研究人员使用低温电子显微镜绘制CRISPR系统的结构图，将分子放置在一层薄薄的冰上，并通过它发射一束电子来生成数据，然后将这些数据处理成一个详细的三维模型。结果出乎他们的意料。

“我们发现这个系统部署了一种不同于Cas13家族中其他蛋白质的机制，”Yang Gao说。“这个家族中的其他蛋白质有两个最初分开的结构域，在系统被激活后，它们聚集在一起-有点像剪刀的手臂-并进行切割。

“这个系统是完全不同的:剪刀已经在那里了，但它需要在正确的目标位置钩到RNA链上。为了做到这一点，它在这两个独特的环上使用了一个结合元件，将蛋白质的不同部分连接在一起。”

Emmanuel Osikpa(左起)，Xue Sherry Gao, Xiangyu Deng, Jamie Smith, Seye J. Oladeji和Yang Gao。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University

杨高实验室的博士后研究员邓翔宇说，“确定蛋白质和RNA复合物的结构真的很有挑战性。”

邓说:“为了使蛋白质和RNA复合物更加稳定，我们必须进行大量的故障排除，这样我们才能绘制出它的图谱。”

一旦团队弄清楚了系统的工作原理，化学和生物分子工程师Xue Sherry Gao实验室的研究人员就会介入，通过在活细胞中测试其活性和特异性来调整系统，以提高其精度。

“我们发现，在细胞培养中，这些系统能够更容易地瞄准目标，”化学和生物分子工程的Ted N. Law助理教授Sherry Gao说。“这项工作真正值得注意的是，详细的结构生物学见解使我们能够合理地确定提高工具特异性所需的工程努力，同时仍然保持高靶向RNA编辑活性。”

象屿邓。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University

Xue Gao实验室的研究助理Emmanuel Osikpa进行了细胞分析，证实了工程Cas13bt3以高保真度靶向指定的RNA基元。

“我能够证明这个工程Cas13bt3比原来的系统表现得更好，”Osikpa说。“Xiangyu对这种结构的全面研究强调了一种有针对性的、结构指导的方法比大规模和昂贵的随机诱变筛查更有优势。”

参考文献:《致密CRISPR-Cas13核酸酶激活的结构基础》，作者:Xiangyu Deng, Emmanuel Osikpa, Jie Yang, Seye J. Oladeji, Jamie Smith, Xue Gao and Yang Gao, 2023年9月20日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 41501 - 5

该研究得到了韦尔奇基金会(C-2033-20200401, C-1952)、德克萨斯州癌症预防与研究所(RR190046)、美国国家科学基金会(2031242)和赖斯启动基金的支持。