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Science:解析CRISPR RNA组装的多亚基监控复合物晶体结构

摘要 : 美国蒙大拿州立大学,英国剑桥大学等处的研究人员获得了,大肠杆菌中的由CRISPR-RNAs组装的多亚基监控复合物Cascade 的X射线晶体结构。研究揭示CRISPR的一种作用分子机制,同时也为进一步了解靶标识别机制提供了新的信息。相关文章发表于2014年8月7日的《Science》杂志上。

 CRISPR (clustered regularly interspersed short palindromic repeats)/Cas是源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统,它可利用靶位点特异性的RNA指导Cas蛋白对靶位点序列进行修饰。自2013年以来,CRISPR/Cas系统已经成功应用于人类、小鼠、斑马鱼、家蚕、果蝇、酵母、拟南芥及水稻等多个物种中。

虽然目前这一研究领域获得了许多重要的成果,但是对于CRISPR这种本身用于对抗病毒和质粒的免疫系统成员来说,其基本的作用机制还尚不是十分清楚。

在大肠杆菌中,短小的CRISPR-RNAs(crRNAs)能组装成一个分子量为405 kD的,多亚基监控复合物——Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defense),为了进一步了解其作用机制,美国蒙大拿州立大学,英国剑桥大学等处的研究人员对这一复合物进行了深入分析,获得了分辨率为3.24 Å的X射线晶体结构。

微生物染色体上的CRISPR位点由重复元件和间隔元件组成。每个重复和间隔元件包含30到60个核苷酸碱基对序列。40%的细菌和90%的太古菌基因组序列均存在CRISPR位点。一个细菌通常含有几个CRISPR位点,每个位点是由4到100个CRISPR重复-间隔单位组成。

最新发现的这一结构显示,Cascade是由11个蛋白,和一个61核苷酸长的crRNA 组装而成,形成一个海马形的体系结构,从而能结合到双链DNA靶标(与crRNA导向序列互补)。crRNA的3’和5’端保守序列能通过复合物两端蛋白进行锚定,而导向序列则沿着一条由6个交织在一起的亚基组装而成的螺旋体结构出现。

这种CASCade的结构揭示了CRISPR的一种作用分子机制,同时也为进一步了解靶标识别机制提供了新的信息。

Wiedenheft研究组此前还曾分析了CRISPR编码小rna分子是如何生成的作用机制,他们指出细菌识别侵入的病毒或质粒,将外源DNA小片段插入它的CRISPR位点成为新的间隔序列。CRISPR单位被转录成crRNA前体。Csy4酶对crRNA前体每个重复元件进行切割生成长度为60个核苷酸的crRNAs,其中包含与外源DNA相匹配的序列。Cas蛋白利用crRNA结合这些匹配序列,沉默入侵的病毒或质粒。

这一模型解释了CRISPR特异性核糖核酸内切酶超家族序列和结构特异性作用机制。

原文摘要:

Crystal structure of the CRISPR RNA–guided surveillance complex fromEscherichia coli

Ryan N. Jackson, Sarah M. Golden, Paul B. G. van Erp, Joshua Carter, Edze R. Westra,Stan J. J. Brouns, John van der Oost, Thomas C. Terwilliger, Randy J. Read, Blake Wiedenheft

Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) are essential components ofRNA-guided adaptive immune systems that protect bacteria and archaea from viruses and plasmids. In Escherichia coli, short CRISPR-derived RNAs (crRNAs) assemble into a 405 kDa multi-subunit surveillance complex called Cascade (CRISPR-associated complex for antiviral defense). Here, we present the 3.24 Å resolution x-ray crystal structure of Cascade. Eleven proteins and a 61-nucleotide crRNA assemble into a sea-horse-shaped architecture that binds double-stranded DNA targets complementary to the crRNA-guide sequence. Conserved sequences on the 3′- and 5′-endsof the crRNA are anchored by proteins at opposite ends of the complex, while the guide sequence is displayed along a helical assembly of six interwoven subunits that present 5-nucleotide segments of the crRNA in pseudo A-form configuration. The structure of Cascade suggests a mechanism for assembly and provides insights into the mechanisms of target recognition.

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