生物通報道  來自Broad研究所和麻省理工學院的研究人員與東京大學的同事們聯手，生成了CRISPR-Cas 系統的關鍵組成部分——Cas9復合體的第一張高分辨率圖像。近年來科學家們開始利用Cas9復合體作為一種基因組編輯工具來沉默基因，探究細胞生物學。這些發表在本周《細胞》（Cell）雜志上的研究成果，有望幫助研究人員改良及進一步操控這一工具加速基因組研究，使得這一技術更加接近應用于人類遺傳疾病治療。

于1987年在細菌中首次被發現，直到近期CRISPR（成簇的規律間隔短回文重復序列，clustered regularly interspaced short palindromic repeats）才被用作為基因組編輯工具。這些工具使得研究人員能夠對人類基因組30億堿基序列中的一些“拼寫錯誤”進行導向目標追蹤，除去甚至是改變問題序列。Cas9復合體對于這一過程至關重要，其是由CRISPR“切割”酶Cas9以及將Cas9酶引導至DNA靶點的一段“導向”RNA構成。

論文的共同資深作者、Broad研究所核心成員、McGovern腦研究所研究員、麻省理工學院副教授張鋒（Feng Zhang）說：“我們將Cas9復合體視作是我們可以用來靶向基因組精確位點的終極制導導彈。這項研究提供了整個系統的示意圖——它指明了導彈（Cas9蛋白）、將導彈送至正確位置的編程指令（導向RNA），以及靶DNA。它還揭示了這些部件是如何協同作用使得整個系統運作的秘密。”

為了解構這一系統，張鋒與論文的共同資深作者、東京大學的Osamu Nureki一起組織研究小組解開了這一復雜的結構。

論文的第一作者、京東大學Nureki實驗室生物物理學和生物化學助理教授Hiroshi Nishimasu說：“基于Cas9的基因組編輯技術大大地改變了廣泛的生命科學領域，促成了許多新的試驗技術，因此我和我的同事們對于能與張鋒實驗室一起合作開展這項重要的研究感到非常興奮。”

這兩個研究小組密切合作，揭示了Cas9復合體的結構細節，并測試了它們的功能重要性。他們的努力揭示出了Cas9復合體的內部分工。研究人員確定了Cas9蛋白是由兩個裂片（lobe）組成：一個參與識別RNA和DNA元件，另一個裂片負責裂解靶DNA，導致雙鏈斷裂，破壞靶基因功能。研究小組還發現了Cas9與導向RNA接口的關鍵結構，其使得Cas9在準備切割DNA鏈時環繞RNA和靶DNA自組裝。

鑒別出Cas9復合體的關鍵特征，應該可以促使研究人員改良基因組編輯工具，從而更好地滿足他們的需求。

張鋒說：“直到現在，合理操控Cas9仍是一件非常困難的事情。有了這一結構信息，現在我們就能夠采用一種原理方法來操控這一蛋白使得它更為有效。”

當前，Cas9在實驗中被用于沉默哺乳動物細胞基因——有時針對整個基因組的多個位點，并且一些大型的RNA序列文庫被構建出來用于將Cas9引導至目的基因。但這一系統只能靶向一些特定類型的位點。一些研究還表明，RNA有可能引導Cas9“脫靶”，有可能導致細胞機器內部出現一些意想不到的問題。

研究人員計劃利用這一新的、詳細的Cas9復合體圖像來解決這些擔憂。

研究作者、張鋒實驗室研究生F. Ann Ran說：“了解這一結構或許可幫助我們解決Cas9復合體當前的一些局限性。在未來，使得我們能夠設計出一些更特異性地滿足我們研究需要的編輯工具版本。我們甚至或許可以改變Cas9靶向的核酸序列類型。”

如果要將CRISPR-Cas系統發展為治療遺傳疾病的一種治療工具，這樣的技術改進將是必要的。

（生物通：何嬙）

生物通推薦原文索引：

Nishimasu H et al. "Crystal structure of Cas9 in complex with guide RNA and target DNA." Cell DOI: 10.1016/j.cell.2014.02.001