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引领新的方向!诺奖获得者开发新的方法,识别同源蛋白

iNature  · 公众号  ·  · 2024-07-19 09:49

正文

iNature

RNA引导的核糖核酸酶CRISPR-Cas13在细菌中实现适应性免疫,在异种系统中实现可编程RNA操作。 Cas13s具有有限的序列相似性,阻碍了相关或祖先系统的发现。

2024年7月18日,加州大学伯克利分校Jennifer A. Doudna团队在 Science 在线发表题为“ Structure-guided discovery of ancestral CRISPR-Cas13 ribonucleases ”的研究论文,为了解决这个问题,该研究 开发了一个自动结构搜索管道来识别Cas13的祖先分支(Cas13an),并进一步追踪Cas13的起源到防御相关的核糖核酸酶。

尽管Cas13an的大小只有其他Cas13s的三分之一,但它介导了强大的可编程RNA消耗和对各种噬菌体的防御。然而,与较大的同类蛋白不同,Cas13an使用单个活性位点进行CRISPR RNA加工和RNA引导切割,这表明其祖先核酸酶结构域具有两种活性模式。 Cas13an的发现加深了对CRISPR-Cas进化的理解,扩大了精确RNA编辑的机会,展示了结构导向基因组挖掘的前景。

VI型CRISPR-Cas系统通过靶向入侵的可移动遗传元件的RNA转录物,在原核生物中提供适应性免疫。 干扰是由Cas13蛋白及其CRISPR RNA (crRNA)介导的,它们共同形成一个RNA引导的核糖核酸酶,其简单的可重编程性促进了生物技术中的广泛再利用。 Cas13的定义特征是一对高级真核生物和原核生物核苷酸结合(HEPN)结构域。
在Cas13中,两个HEPN结构域(HEPN1和HEPN2)在分子内二聚形成响应靶转录物识别的活性位点,这与其他通常二聚的HEPN蛋白形成对比。 核糖核酸酶的HEPN超家族显示出很大的序列和结构多样性。即使在Cas13家族中,序列保守性的缺乏也使得传统的同源性搜索和进化分析变得困难。 因此,与Cas9 (II型)和Cas12 (V型)等其他2类CRISPR-Cas效应子相比,迄今为止鉴定出的Cas13亚型很少,对其进化起源也知之甚少。
多功能HEPN结构域在Cas13an中实现RNA引导的切割和pre-crRNA加工
结构比较为Cas13等蛋白家族的低序列保守性带来的挑战提供了解决方案,因为蛋白质折叠具有更大的保守性。 从历史上看,蛋白质结构的有限可用性阻碍了以结构为中心的进化分析。然而,原子精度预测程序及其相关数据库的出现,现在已经接近10亿个结构,在很大程度上克服了这一障碍。然而,利用这些数据库带来了新的挑战,因为传统的结构比较程序不是为这种规模而设计的。为了解决这个问题,与DALI或TMalign等黄金标准程序相比,Foldseek等机器学习程序加速了结构同源性搜索。 然而,基于机器学习的程序比传统程序更不敏感,强调需要具有最大灵敏度的可扩展方法来发现新的关系。
该研究开发并应用了一种基于结构的搜索策略,该策略结合了快速聚类和敏感比较来发现高度分化的蛋白质之间的同源性。 该研究进一步利用结构和序列比较来解决复杂的系统发育关系,从而发现CRISPR-Cas酶进化背后的主题。虽然本研究关注的是AlphaFold数据库,但策略可以推广到其他结构预测数据库,包括宏基因组或病毒起源数据库。随着结构预测方法和相关数据库的不断发展,结构引导的蛋白质挖掘将变得越来越强大。 这项研究为未来研究跨远程同源物的共享折叠和功能铺平了道路,这将进一步阐明生物分子进化的基本原理。

参考消息:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq0553

END

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