微生物免疫系統自我/非自我識別的關鍵酶

日期：2010-09-14 17:35:48

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

通過CRISPR與CRISPR相關的“Cas”蛋白質組的作用，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發揮作用的機制，科學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驗室以及加州大學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。

該研究由生物化學家Jennifer Doudna領導，研究小組利用伯克利實驗室同步加速器蛋白質晶體學光束線（protein crystallography beamlines）獲得了Csy4核糖核酸內切酶原子水平的晶體結構模型。Doudna和她的同事們確定Csy4是一種存在于原核細胞的酶，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粒。

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

Doudna是研究RNA分子結構方面的的權威，她是伯克利實驗室物理生物科學部門與加州大學伯克利分校分子細胞生物學系和化學系聯合負責人，此外她還是霍華德休斯醫學研究所的調查員。這個關于CRISPR的最新研究發表在《科學》(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位點由重復元件和間隔元件組成。每個重復和間隔元件包含30到60個核苷酸堿基對序列。40%的細菌和90%的太古菌基因組序列均存在CRISPR位點。一個細菌通常含有幾個CRISPR位點，每個位點是由4到100個CRISPR重復-間隔單位組成。Doudna和她的同事們研究了一種在環境中普遍存在的細菌——綠膿假單膿菌的CRISPR。

    Doudna研究小組的畢業生，論文的第一作者Rachel Haurwitz解釋了CRISPR/Cas免疫系統作用的機制。

    “細菌識別侵入的病毒或質粒，將外源DNA小片段插入它的CRISPR位點成為新的間隔序列。CRISPR單位被轉錄成crRNA前體。Csy4酶對crRNA前體每個重復元件進行切割生成長度為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結合這些匹配序列，沉默入侵的病毒或質粒。”

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

通過分辨率為1.8埃的Csy4酶與相關RNA結合的晶體結構模型，伯克利CRISPR研究小組證實Csy4 可與CRISPR RNA重復莖環的大溝發生序列特異性相互作用，并與磷酸骨架發生靜電接觸。這些相互作用使得Csy4能夠利用活性位點保守的絲氨酸和組氨酸殘基選擇性結合并切割crRNAs前體。

“我們的模型解釋了CRISPR特異性核糖核酸內切酶超家族序列和結構特異性作用機制。”Doudna說。
Doudna和她的同事們使用伯克利實驗室同步加速器蛋白質晶體學光束線8.2.1 和 8.3.1實驗終端裝置生成了1.8埃分辨率晶體結構。兩個光束線都是由超導體偏轉磁鐵“superbends”提供能量。

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

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

Doudna說：“通過對細菌產生和利用小RNAs選擇靶向基因機制的研究，我們希望能夠發現細菌和真核生物在進化中有利于遺傳控制的信號途徑的特征。現在看起來細菌和真核生物通過完全不同的信號途徑利用RNAs進行基因調控，這是非常讓人驚訝的結果！”