探索基因组编辑的新工具

杨智

[本刊讯]哈尔滨工业大学生命科学与技术学院黄志伟教授的课题组运用结构生物学和生物化学研究手段，揭示了一种新的CRISPR基因修饰系统进行分子识别与剪切的结构及机制。相关成果发表在Nature.2016，532：522-526。

CRISPR是细菌或古菌用以识别入侵病毒遗传物质的短的核酸重复序列，它能与多种核酸酶（其中之一为Cas9）协同，起到识别并摧毁入侵病毒DNA的作用。已有研究发现，CRISPR-Cas9系统可转用于基因组编辑，成功实现生物医学上的基因靶向修饰，效率大大超过以往的基因组编辑工具。2015年9月，又有研究发现了核酸酶Cpf1与CRISPR组成的CRISPR-Cpf1系统，它比起CRISPR-Cas9有诸多特点和优势，可望发展成更加高效的基因组编辑工具。

黄志伟课题组首先解析了结合CRISPR RNA（crRNA）的Cpfl复合物晶体结构，发现Cpfl是呈三角形的单体，有一个带正电荷的凹槽位于其中央。crRNA通过发夹结构形成高度扭曲的构象，紧密结合于Cpfl的核酸结合结构域。与底物DNA配对的crRNA 3末端位于Cpfl凹槽的一端。跟结合Cas9的情形十分不同，结合Cpfl的erRNA引导序列部分没有电子密度，表明其在没有底物结合的状态下跟Cpfl的结合比较松散。crRNA的结合则使Cpfl发生显著的构象变化，而且仅仅crRNA的重复序列部分就能让Cpfl的构象发生巨大改变。结构研究又显示，Cpfl起核酸酶作用，它的3个关键催化残基侧链上的氮原子位于同平面，并与被处理位点的磷酸基团形成氢键，提示Cpfl把crRNA前体剪切成crRNA是一个碱性催化的反应。

该项研究对于把CRISPR.Cpfl系统改造为特异高效的基因组编辑新工具，提供了重要的结构基础。