诺奖团队最新Science论文：利用AlphaFold2发现Cas13的祖先，并解析其结构和功能

自 CRISPR-Cas9 发现以来，科学家们希望在自然界中发现不同的 CRISPR-Cas 系统，通常会挖掘基因组序列数据库以寻找同源性，也就是具有高度相似氨基酸序列的蛋白质。基于这种方法已经促成了具有新特性（体积更小、更以递送）的新型基因组编辑工具的发现。此后，科学不仅发现了 CRISPR 蛋白之间的同源性，还发现了其他蛋白质之间的同源性（例如 Cas9 和 Cas12 与转座子的相似性）。

以 Cas13 为代表的 VI 型 CRISPR-Cas 系统，与 Cas9 和 Cas12 不同，Cas13 是通过靶向入侵的可移动遗传元件的 RNA 转录物，为原核生物提供适应性免疫。Cas13 介导的 RNA 靶向作用是通过 Cas13 蛋白及其 crRNA 的作用实现的，它们共同作为一种 RNA 引导的核糖核酸酶发挥作用。 

所有的 Cas13 都拥有两个高等真核生物和原核生物核苷酸结合（HEPN）结构域；之前的研究已经表明，这些结构域会在分子内二聚化，以响应靶标转录本的识别而形成活性位点。 

HEPN 结构域并非 Cas13 所独有，其以高度多样性和序列保守性差而闻名，这阻碍了标准的同源性检索，并使进化分析具有挑战性。因此，与其他广泛研究的 Cas 核酸内切酶（例如 Cas9 和 Cas12）相比，迄今为止已确定的不同 Cas13 的的亚型很少，并且我们对它们的进化起源仍然知之甚少。 

2024 年 7 月 18 日，2020 年诺贝尔化学奖得主、CRISPR 基因编辑技术奠基人之一的 Jennifer Doudna 教授在国际顶尖学术期刊 Science 上发表了题为：Structure-guided discovery of ancestral CRISPR-Cas13 ribonucleasesStru 的研究论文。

该研究将基于 AlphaFold2 的人工智能的蛋白质结构预测与传统结构比对程序结合，开发出了一种自动化结构检索，发现了 Cas13 的祖先——Cas13an，并进一步解析了 Cas13an 的结构及其作用机制，还将 Cas13 的起源追溯到与防御相关的核糖核酸酶（ribonuclease）。

近年来，在 AlphaFold2 等人工智能工具的帮助下，结构数据库迅速发展。这给了研究团队以希望——不管氨基酸序列如何，只要寻找相似的结构，就能找到其他 Cas13。

在这项研究中，研究团队构建了一个自动化结构检索管线，该管线将基于人工智能的检索方法的速度与传统结构比对程序的灵敏度相结合。利用这个管线，研究团队确定了一个 Cas13 的祖先分支——Cas13an，并将 Cas13 的起源追溯到与防御相关的核糖核酸酶。

该研究还发现，与其他 Cas13 相比，Cas13an 的尺寸较小，仅 449 个氨基酸，是其他 Cas13 的三分之一（例如 Cas13a 是 1159 个氨基酸），但当它与靶向绿色荧光蛋白（GFP）的 crRNA 在大肠杆菌中共表达时，能够有选择性地靶向 GFP 的 mRNA，并 HEPN 结构域对于此活性至关重要。 当 Cas13an 与选定的靶向噬菌体的 crRNA 在大肠杆菌中共表达时，它还能为多种噬菌体提供防御。Cas13an 这种小型化的 Cas13 仍然功能齐全，为研究人员扩展了 RNA 编辑工具箱。

该研究表明，与较大的 Cas13 不同，Cas13an 用于 crRNA 加工和 RNA 引导的切割的是一个单一的活性位点，揭示了祖先核糖核酸酶（ribonuclease）结构域的两种活性模式。 

论文通讯作者 Jennifer Doudna 教授表示，在从细菌到人类的许多生物体中，40%-80% 的基因编码了功能未知的蛋白质。这项新研究展示了如何通过对由 AlphaFold 等人工智能生成的结构数据库进行比较分析来发现新的蛋白质功能。这项研究研究回答了有关 CRISPR 进化的基本问题，并发现了新的基因组编辑工具。除了这些发现之外，该研究开发的策略还可以轻松应用于其他令人兴奋的生物学问题。

总的来说，Cas13an 的发现加深了我们对 CRISPR-Cas 进化的理解，并为精确的 RNA 编辑提供了更多机会，展示了结构引导的基因组挖掘的前景。 

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0553

文章来源：生物世界

免责声明：本文旨在传递生命科学和医疗健康产业最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。