Science:Cascade靶向结合ssDNA复合物的晶体结构解析

日期：2014-08-17 期刊：Science

DOI：10.1126/science.1256996

摘要 : 美国约翰·霍普金斯大学的研究人员通过高能X射线，解析Cascade与其靶标(ssDNA)的复合体的晶体结构。这项研究成果有助于人们进一步解析了Cascade的作用机制。相关文章发表于2014年8月14日的《Science》杂志上。

监控复合物Cascade(CRISPR-associated complex for antiviral defense)是CRISPR系统中的一个关键组分，也是细菌细胞的重要守卫。Cascade通过RNA扫描噬菌体DNA，确定它是否来自于入侵者。一旦认定外源DNA，细胞就会发动攻击将其粉碎。Cascade由11种蛋白组成的，只有所有部分都正常运转，才能发挥自己的正常功能。

美国约翰·霍普金斯大学的研究人员在Cascade与其靶标(ssDNA)结合时进行结晶，并通过高能X射线解析了复合体的精密结构。他们发现Cascade具有一个非常独特的绳梯结构，相关文章发表于2014年8月14日的《Science》杂志上。

“结构可以帮助我们了解分子机器的作用机制，”这项研究的领导者，副教授Scott Bailey说。“这项研究为人们展示了一个前所未见的独特结构，而这种结构就是Cascade成功的秘诀。”

研究人员发现，Cascade中的RNA和DNA并没有彼此缠绕形成双螺旋，而是相互平行组成了一个绳梯。Bailey指出，如果Cascade RNA与DNA相互缠绕，那么在检查下一个DNA时就需要打开缠绕，无形中延长了抵御感染的时间。而梯子结构允许RNA快速扫描DNA。

研究显示，RNA扫描DNA的方式，就像人们利用关键词进行快速浏览。它们将长序列分成小段(就像段落与词句)，以便快速发现问题。

这项研究为人们进一步解析了Cascade的作用机制，这样的信息可以帮助人们更好地使用CRISPR工具进行DNA编辑甚至治疗疾病。

此外，这项研究也为理解细菌耐药性的产生提供了线索。许多致病菌都能对抗生素药物产生抗性，WHO已经将这一问题视为全球公共健康面临的主要威胁。

原文摘要：

Crystal structure of a CRISPR RNA-guided surveillance complex bound to a ssDNA target

Sabin Mulepati, Annie Héroux, Scott Bailey

In prokaryotes, RNA derived from type I and type III CRISPR loci direct large ribonucleoprotein complexes to destroy invading bacteriophage and plasmids. In Escherichia coli, this 405-kDa complex is called Cascade. Here, we report the 3.03A crystal structure of Cascade bound to a single-stranded DNA target. The structure reveals that the CRISPR RNA and target strands do not form a double helix but instead adopt an underwound ribbon-like structure. This non-canonical structure is facilitated by rotation of every sixth nucleotide out of the RNA-DNA hybrid and is stabilized by the highly interlocked organization of protein subunits. These studies provide insight into both the assembly and the activity of this complex and suggest a mechanism to enforce fidelity of target binding.

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