想象一下在一場戰(zhàn)爭中敵人的數(shù)目數(shù)倍于你，這意味著你將遭到絕對殘酷的攻擊。而對于微生物例如細(xì)菌和太古菌，它們常常面對著來自病毒的不斷攻擊和質(zhì)粒的侵入。為了在這樣的侵襲中存活，細(xì)菌采用了大量的保護(hù)機(jī)制，其中包括由CRISPR基因調(diào)控的基于核苷酸的獲得性免疫系統(tǒng)。

    通過CRISPR與CRISPR相關(guān)的“Cas”蛋白質(zhì)組的作用，微生物能夠利用小RNA分子沉默入侵物遺傳信息的關(guān)鍵部分，并獲得對類似入侵物的免疫。為了更好地了解這一微生物免疫系統(tǒng)發(fā)揮作用的機(jī)制，科學(xué)家們需要更多地了解CRISPR編碼小RNA分子是如何生成的。近日美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗室以及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員組成的一個研究小組解開了這個問題的答案。

    該研究由生物化學(xué)家Jennifer Doudna領(lǐng)導(dǎo)，研究小組利用伯克利實(shí)驗室同步加速器蛋白質(zhì)晶體學(xué)光束線（protein crystallography beamlines）獲得了Csy4核糖核酸內(nèi)切酶原子水平的晶體結(jié)構(gòu)模型。Doudna和她的同事們確定Csy4是一種存在于原核細(xì)胞的酶，它能夠啟動生成CRISPR衍生RNAs (crRNAs)，這種小RNA分子能夠靶向并沉默侵入的病毒和質(zhì)粒。

    “我們的模型揭示Csy4和來自相同的CRISPR/Cas超家族的相關(guān)核糖核酸內(nèi)切酶利用了巧妙的識別機(jī)制將crRNA與其他的細(xì)胞內(nèi)RNAs區(qū)分開，確保選擇性生成細(xì)菌獲得性免疫所需的crRNA，”Doudna說：“我們同時還發(fā)現(xiàn)Cys4與另一種在真核生物RNA干擾中起關(guān)鍵作用的酶Dicer在RNA識別中有著相似的功能。

    Doudna是研究RNA分子結(jié)構(gòu)方面的的權(quán)威，她是伯克利實(shí)驗室物理生物科學(xué)部門與加州大學(xué)伯克利分校分子細(xì)胞生物學(xué)系和化學(xué)系聯(lián)合負(fù)責(zé)人，此外她還是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的調(diào)查員。這個關(guān)于CRISPR的最新研究發(fā)表在《科學(xué)》(Science)雜志上。論文的第一作者還包括Rachel Haurwitz, Martin Jinek, Blake Wiedenheft 和Kaihong Zhou.

    微生物染色體上的CRISPR位點(diǎn)由重復(fù)元件和間隔元件組成。每個重復(fù)和間隔元件包含30到60個核苷酸堿基對序列。40%的細(xì)菌和90%的太古菌基因組序列均存在CRISPR位點(diǎn)。一個細(xì)菌通常含有幾個CRISPR位點(diǎn)，每個位點(diǎn)是由4到100個CRISPR重復(fù)-間隔單位組成。Doudna和她的同事們研究了一種在環(huán)境中普遍存在的細(xì)菌——綠膿假單膿菌的CRISPR。
    
    Doudna研究小組的畢業(yè)生，論文的第一作者Rachel Haurwitz解釋了CRISPR/Cas免疫系統(tǒng)作用的機(jī)制。
 
    “細(xì)菌識別侵入的病毒或質(zhì)粒，將外源DNA小片段插入它的CRISPR位點(diǎn)成為新的間隔序列。CRISPR單位被轉(zhuǎn)錄成crRNA前體。Csy4酶對crRNA前體每個重復(fù)元件進(jìn)行切割生成長度為60個核苷酸的crRNAs，其中包含與外源DNA相匹配的序列。Cas蛋白利用crRNA結(jié)合這些匹配序列，沉默入侵的病毒或質(zhì)粒。”

     Haurwitz說原核細(xì)胞CRISPR/cas系統(tǒng)沉默外源DNA的方式類似于真核生物的siRNAs。隨著時間過去，CRISPR/cas系統(tǒng)將建立起可遺傳的DNA編碼免疫從而防止同類型病毒和質(zhì)粒的入侵。

    通過分辨率為1.8埃的Csy4酶與相關(guān)RNA結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)模型，伯克利CRISPR研究小組證實(shí)Csy4 可與CRISPR RNA重復(fù)莖環(huán)的大溝發(fā)生序列特異性相互作用，并與磷酸骨架發(fā)生靜電接觸。這些相互作用使得Csy4能夠利用活性位點(diǎn)保守的絲氨酸和組氨酸殘基選擇性結(jié)合并切割crRNAs前體。
 
    “我們的模型解釋了CRISPR特異性核糖核酸內(nèi)切酶超家族序列和結(jié)構(gòu)特異性作用機(jī)制。”Doudna說。
Doudna和她的同事們使用伯克利實(shí)驗室同步加速器蛋白質(zhì)晶體學(xué)光束線8.2.1 和 8.3.1實(shí)驗終端裝置生成了1.8埃分辨率晶體結(jié)構(gòu)。兩個光束線都是由超導(dǎo)體偏轉(zhuǎn)磁鐵“superbends”提供能量。

    “同步加速器和它的蛋白質(zhì)晶體學(xué)光束線將繼續(xù)成為我們研究的一個重要資源，”Doudna說。

    CRISPR/cas系統(tǒng)利用靶向干擾外源DNA的crRNAs將調(diào)控真核生物和原核生物進(jìn)程的各類小RNA分子連接在一起。了解這些小RNA分子如何發(fā)揮作用可促進(jìn)我們對于細(xì)胞生物學(xué)的基本理解并為了解RNA在生命進(jìn)化中的主要作用提供重要線索

    Doudna說：“通過對細(xì)菌產(chǎn)生和利用小RNAs選擇靶向基因機(jī)制的研究，我們希望能夠發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和真核生物在進(jìn)化中有利于遺傳控制的信號途徑的特征。現(xiàn)在看起來細(xì)菌和真核生物通過完全不同的信號途徑利用RNAs進(jìn)行基因調(diào)控，這是非常讓人驚訝的結(jié)果！”