两篇Nature：发现新型CRISPR剪刀Cas12a2，切割单链DNA，还能核酸检测
2023-01-07 生物世界 生物世界 发表于陕西省
在自然界中，细菌几乎无处不在，人体也无时无刻不面临细菌感染的威胁。但与人类一样，细菌也会受到病毒（噬菌体）的攻击，为了应对病毒的侵袭，细菌也进化出独特的免疫防御系策略来对抗病原体，
在自然界中，细菌几乎无处不在，人体也无时无刻不面临细菌感染的威胁。但与人类一样，细菌也会受到病毒（噬菌体）的攻击，为了应对病毒的侵袭，细菌也进化出独特的免疫防御系策略来对抗病原体，CRISPR系统就是其中之一。
在过去短短的十年时间里，基于CRISPR系统的基因编辑技术以极其惊人的速度迅猛发展，其工具种类也愈渐繁多，并广泛应用于基因编辑、基因治疗、核酸定位及核酸检测等领域，许多科学研究也因此发生了翻天覆地的变化。这也促使科学家们进一步探索功能更多样、应用更广泛的CRISPR系统。
2023年1月4日，国际顶尖学术期刊 Nature 同期上线两篇论文，详细介绍了一款全新的CRISPR系统——Cas12a2。两篇论文的共同通讯作者、犹他州立大学的 Ryan Jackson 教授指出，此次新发现的核酸酶Cas12a2非常特殊，不仅与已知的Cas12a不同，其结构和功能与迄今发现的其他CRISPR系统都不一样。
作为细菌的免疫防御系统，CRISPR系统能识别并精准切割特定的核酸片段，以此应对噬菌体或外来基因的侵袭。有趣的是，部分CRISPR系统除了能切割靶标核酸片段，还能随机切割其他非靶标核酸片段。这种非特异性切割活性可能导致细菌的顿挫感染，即单个被病毒感染的细菌进入休眠或死亡，从而防止病毒在整个细菌群体传播。
此前，科学家们已经发现Ⅴ型Cas12a、Cas12b和Ⅵ型Cas13a、Cas13b（CRISPR系统分为Ⅰ-Ⅵ型）具有非特异性切割活性，其中Ⅴ型随机切割单链DNA（ssDNA），Ⅵ型随机切割单链RNA（ssRNA）。
Cas12a2核酸酶在V型CRISPR-Cas系统中形成了一个独特的分支
如今，这两项发表在 Nature 的研究表明，Cas12a2是一种更为特殊的CRISPR核酸酶，不仅在其结构上，更体现在功能上。当Cas12a2在gRNA的引导下识别侵入性RNA时，其核酸酶活性被激活，在切割靶标RNA的同时，还会同时降解细胞内的其他RNA和DNA，抑制细菌生长并使其进入休眠状态，从而限制病毒的传播扩散。
其中一篇论文的第一作者 Oleg Dmytrenko 博士表示，虽然这种非特异性切割活性已经在其他CRISPR系统中发现，但是基于单个核酸酶识别入侵者并同时降解细胞中的其他RNA和DNA，还是首次发现。
Cas12a2的活性激活后，可同时降解细胞中的ssRNA、ssDNA和dsDNA，使得细菌进入休眠状态
不仅如此，研究团队还对Cas12a2的结构和工作机制进行了分析。研究人员利用高分辨率的冷冻电镜（cryo-EM）技术，捕获了Cas12a2与核酸分子结合时的复合物结构：Cas12a2在PFS序列的激活下识别并结合与gRNA互补的靶标RNA，然后Cas12a2会发生显著的构象变化，就像是弹簧刀被打开一样，其活性部位释放出来，无差别切割周围的单链RNA、单链DNA和双链DNA。
Ryan Jackson 教授表示，令人难以置信的是，Cas12a2将通常笔直的双螺旋DNA分子弯折90度，迫使DNA骨架进入酶的活性部位，并在那里将其切断。
Cas12a2的靶标RNA激活的非特异性切割活性的作用机制
更重要的是，与Ⅴ型和Ⅵ型CRISPR系统一样，Cas12a2的非特异性切割活性也可以应用于核酸检测。以2020年诺贝尔生理或医学奖得主 Jennifer Doudna 及其团队开发的DETECTR诊断技术为例，其工作原理如下：
Cas12a在gRNA的引导下识别样品中的靶标核酸序列，其非特异性切割活性被激活，并随机切割溶液中的核酸探针。当用短波光照射样本时，阳性样本会发出荧光，而阴性样本则无荧光，从而判断样本中是否含有病毒核酸。
DETECTR检测SARS-CoV-2的模式图
由此看来，此次新发现的Cas12a2将为CRISPR诊断工具箱再增添一件极具潜力的新工具，未来或可用于开发高灵敏诊断测试，以检测各种新的病原体，如新冠病毒、流感病毒、埃博拉病毒和寨卡病毒等。
通过突变来改造Cas12a2研究团队还通过突变来改造Cas12a2，他们发现，单个氨基酸的突变可以使这种核酸酶在识别并结合靶标RNA之后只降解单链DNA，表明Cas12a2可以通过改造释放其应用潜能。此外，与其他CRISPR系统一样，Cas12a2在基因编辑领域也有良好的应用前景，有望成为新一代的基因治疗工具。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05559-3
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05560-w
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