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解析CRISPR/Cas的分子机制

日期:2014-08-11 00:00:00

日前,来自美国蒙大拿州立大学,英国剑桥大学等机构的研究人员通过解析一种 CRISPR RNA导向监督复合物结构,揭示了 CRISPR 的组装分子机制,同时也为进一步了解靶标识别机制提供了新的信息。

CRISPR/Cas 是源于细菌及古细菌中的一种后天免疫系统,它可利用靶位点特异性的RNA引导 Cas 蛋白对靶位点序列进行修饰。自2013年以来, CRISPR/Cas 系统已经成功应用于人类、小鼠、斑马鱼、家蚕、果蝇、酵母、拟南芥及水稻等多个物种中。

在大肠杆菌中,短小的 CRISPR-RNAs(crRNAs)能组装成一个分子量为 405 kD 的,多亚基监控复合物—— Cas cade ( CRISPR -associated complex for antiviral defense),为了进一步了解其作用机制,这项研究的研究人员对这一复合物进行了深入分析,获得了分辨率为3.24 Å的X射线晶体结构。

微生物染色体上的 CRISPR 位点由重复元件和间隔元件组成。每个重复和间隔元件包含30到60个核苷酸碱基对序列。40%的细菌和90%的太古菌基因组序列均存在 CRISPR 位点。一个细菌通常含有几个 CRISPR 位点,每个位点是由4到100个 CRISPR 重复-间隔单位组成。

最新发现的这一结构显示, Cas cade是由11个蛋白,和一个61核苷酸长的crRNA 组装而成,形成一个海马形的体系结构,从而能结合到双链DNA靶标(与crRNA导向序列互补)。crRNA的3’和5’端保守序列能通过复合物两端蛋白进行锚定,而导向序列则沿着一条由6个交织在一起的亚基组装而成的螺旋体结构出现。

Wiedenheft 研究组此前还曾分析了 CRISPR 编码小RNA分子是如何生成的作用机制,他们指出细菌识别侵入的病毒或质粒,将外源DNA小片段插入它的 CRISPR 位点成为新的间隔序列。 CRISPR 单位被转录成crRNA前体。Csy4酶对crRNA前体每个重复元件进行切割生成长度为60个核苷酸的crRNAs,其中包含与外源DNA相匹配的序列。 Cas 蛋白利用crRNA结合这些匹配序列,沉默入侵的病毒或质粒。

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