Jennifer A. Doudna教授（图片来源：网络）
上周刚刚在《科学》子刊上发表了新成果的CRISPR先驱Jennifer A. Doudna教授本周又有1篇Science论文出炉。7月20日发表的这篇题为“Structures of the CRISPR genome integration complex”的研究揭秘了CRISPR蛋白是如何找到它们的目标的。
具体来说，加州大学伯克利分校的研究人员发现了Cas1-Cas2（与细菌中CRISPR免疫系统能力有关的蛋白质）是如何适应新的病毒感染，并鉴定出了它们在基因组中插入病毒DNA的位置。研究证实，Cas1-Cas2对插入位点的识别并不是依赖序列，而是依赖结构。
图片来源：NIH视频
值得一提的是，Cas1-Cas2最近刚被用于在细菌基因组的CRISPR区域编码了一部电影。相关成果于7月12日以“CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria”为题发表在了Nature杂志上。哈佛大学遗传学大牛George M. Church是这一研究的通讯作者。（详细报道：Nature：首次！“小电影”被科学家刻进了活细菌的DNA）
结构解析：第三蛋白让DNA弯曲成U型
在这项新研究中，科学家们发现，Cas1-Cas2依赖独特的CRISPR DNA灵活性来识别病毒DNA应该被插入的位点，从而确保先前病毒感染的“记忆”被正确存储。
借助电子显微镜和X射线晶体学，研究者们捕捉到了病毒DNA插入到CRISPR区域时Cas1-Cas2的结构。
这种结构揭示出，一种称为IHF的第三蛋白（third protein）结合在插入位点附近，将DNA弯曲成U型，从而使Cas1-Cas2可以同时绑定两个识别位点。研究发现，这种反应需要目标DNA弯曲并部分解开，并且这只会在正确的目标DNA上发生。
A protein called IHF (blue) creates a sharp turn in the DNA (red helix) upstream of the CRISPR repeat (brown helix), allowing Cas1-Cas2 (green and yellow) to recognize and bind the insertion site. (Addison Wright image)
（图片来源：加州大学伯克利分校）
CRISPR系统是细菌的免疫系统，可以让细菌适应并抵御病毒感染。CRISPR，即“成簇规律间隔的短回文重复”（ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats），是DNA中的独特区域。病毒DNA片段被储存在这一区域，使得细菌细胞能够识别任何试图再度感染的病毒。病毒DNA与“短回文重复”交替出现。这可以作为一种识别信号，指引Cas1-Cas2添加新的病毒序列。
该研究的共同第一作者Addison V. Wright说：“Cas1-Cas2对这些重复（repeats）的特异性识别对将病毒DNA整合到CRISPR阵列中起到了限制作用。这将避免将病毒DNA插入错误的位置带来的潜在致命影响。”
特殊识别：不依赖序列，依赖结构
虽然很多DNA结合蛋白（DNA-binding protein）是直接“读取”它们识别序列的核苷酸，但Cas1-Cas2是通过更加间接的方式来识别CRISPR重复（CRISPR repeat）：它的形状和灵活性。除了编码蛋白质外，一段DNA的核苷酸序列也决定了分子的物理性质，其中，一些序列表现为灵活的铰链，另一些则形成了刚性杆（rigid rods）。
CRISPR重复的序列使得它能够以恰好正确的方式弯曲，从而被Cas1-Cas2绑定。这种现象也使得Cas1-Cas2能够通过形状来识别它们的目标。
Wight在接受GEN采访时说：“Cas1-Cas2最明显的功能利用了它们的进化角色，即作为一种信息存储设备。正如George Church最近的成果所展示的那样（注：即本文第3段提到的那篇Nature）。在我们的研究中，我们发现Cas1-Cas2的识别更多的依赖于结构，而不是直接的序列识别。这对于改变Cas1-Cas2的用途具有相当重要的影响。”
相关推荐：新成果“剑指”脱靶效应
作为CRISPR技术的先驱，Jennifer A. Doudna教授每年都会发表大量的科研成果。除这篇Science外，本月12日，她带领的研究小组还在Science Advances杂志上发表了关于脱靶效应的最新成果（论文题目：Disabling Cas9 by an anti-CRISPR DNA mimic）。研究发现，CRISPR“关闭开关”AcrIIA4能够降低Cas9编辑人类细胞基因组的脱靶效应。
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