CRISPR-Cas系统是原核生物中广泛研究的RNA引导的适应性免疫系统，能够防御外来遗传元件的入侵。典型的I-E型CRISPR-Cas系统依赖于Cas3核酸酶进行DNA切割，而最近在Candidatus Cloacimonetes细菌中发现的一种变体系统则通过HNH核酸酶结构域替代了Cas3的功能。这一发现为CRISPR-Cas系统的多样性和功能提供了新的见解。
近日，中国科学院物理研究所的朱洪涛团队与天津医科大学的张恒团队在Nature Communications期刊发表了题为Structural basis for RNA-guided DNA degradation by Cas5-HNH/Cascade complex的研究成果。研究团队利用近原子分辨率的冷冻电镜技术，解析了Cas5-HNH/Cascade复合物在DNA结合和非结合状态下的结构。研究发现，Cas5-HNH/Cascade复合物在结合DNA后会形成更加紧凑的构象，各亚基向核酸酶中心靠拢，从而激活其酶活性。此外，研究还发现，锌、钴和镍等二价离子能够通过破坏复合物的稳定性来下调其酶活性。
研究团队进一步揭示了HNH核酸酶域的关键作用。HNH结构域通过与Cas6和Cas11等相邻亚基的广泛相互作用，调节复合物的功能。研究还发现，HNH结构域在结合DNA后会向DNA底物的方向移动，而Cas6和Cas11则远离底物，表明HNH结构域在核酸酶活性中起核心作用。
此外，研究团队还发现，Cas5-HNH/Cascade复合物在切割双链DNA时，首先切割目标链，然后切割非目标链，这与Cas12a的RuvC域的切割顺序相反。这一发现为理解CRISPR-Cas系统的DNA切割机制提供了新的视角。
该研究不仅揭示了Cas5-HNH/Cascade复合物的结构和功能机制，还为未来基于CRISPR-Cas系统的基因编辑工具的开发提供了重要的理论基础。
图1 Cas5-HNH/Cascade系统切割靶标DNA的分子模型
中国科学院物理研究所朱洪涛研究员、天津医科大学张恒教授为该论文的共同通讯作者。中国科学院物理研究所刘亚男博士、王琳博士、天津医科大学张茜研究生、付鹏宇研究生为该论文共同第一作者。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55716-7
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