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识别并切割由crRNA序列指定的RNA目标——CRISPR系列之Cas13a

导读:CRISPR是一种出色的基因组编辑工具,比较熟悉的是来自化脓链球菌的Cas9(SpCas9),不过这并不是唯一的选择。一种新型核酸酶Cas13a(以前称为C2c2)正开始进入人们的视野,它具有独特的性质,进一步扩展了CRISPR工具箱.我们将介绍一下Cas13a的独特性质以及各种应用。

Cas蛋白的分类

根据Cas蛋白的分类和效应复合物的性质主要分为两大类Class 1和Class 2，六种不同类型。
1类系统包括类型I、III、IV，效应复合物由多个Cas蛋白（具有一个或多个内切酶活性组分）组成并与crRNA紧密结合，
2类系统包括类型II、V和VI，只有一个具有内切酶活性的多结构蛋白。
II类CRISPR-Cas系统CRISPR/Cas9系统已用于基因敲除和敲入以及基因组标记等,方便基因操作和基因组研究。
而VI类系统又叫CRISPR-Cas13系统，是向导RNA介导的RNA靶向的内切酶系统，从15年被发现至今一共鉴定出四个亚型：
VI-A(Cas13a/C2c2),VI-B(Cas13b),VI-C(Cas13c)和VI-D(Cas13d)
已经开始运用于RNA的敲低，RNA定点编辑，RNA检测以及RNA剪接调控

Cas13a的独特之处

Cas13a最初是由Broad研究所的研究人员发现的。2015年，Shmakov及其同事利用Cas1作为“诱饵”，来鉴定细菌基因组中与CRISPR相关联的蛋白。通过此次分析，他们鉴定出53个候选基因，总共分成三大类：C2c1、C2c2和C2c3。C2c1和C2c3与Cpf1有些类似，不过它们需要tracrRNA和crRNA才能切割DNA目标，而Cpf1仅需要crRNA。

再来看C2c2（也就是Cas13a）与Cas9的区别。最大的区别在于Cas13a结合并切割RNA，而Cas9切割DNA。从结构上来看，Cas13a含有两个HEPN结构域，而Cas9用HNH和RuvC结构域来切割DNA目标。HEPN结构域对Cas13a切割RNA目标是必需的。另外，与Cas9类似，Cas13a分子中关键残基的突变可以形成核酸酶活性缺失的Cas13a（dCas13a），它能够结合RNA目标但无法切割。

表1：比较常用的CRISPR酶

名称	结构域	向导RNA	目标	PAM	切割机制
Cas9	HNH、RuvC	tracrRNA/crRNA	DNA	5' NGG	DNA目标中平末端的特定双链断裂
Cpf1	类似RuvC	crRNA	DNA	5' TTN	DNA目标中带有5’垂悬的特定双链断裂
Cas13a	2x HEPN	crRNA	RNA	3' A、U 或C	特定RNA的切割

Cas13a的作用机制

大家都知道，Cas9利用tracrRNA和crRNA来实现与DNA目标的结合和切割。不过，Cas13a只需要24个碱基的crRNA，它通过富含尿嘧啶的茎环结构与Cas13a分子相互作用，并通过Cas13a的一系列构象变化来促进目标的切割。与Cas9一样，Cas13a也能容忍crRNA与目标序列之间的单个错配，不过若存在2个错配，那切割效率就大大降低。它的PFS序列（相当于PAM序列）位于间隔区的3’端，由A、U 或C碱基组成。

Cas13a还有一个特别之处，那就是Cas13a一旦识别并切割由crRNA序列指定的RNA目标，它就转入了一种酶促“激活”状态，这时它将结合并切割其他的RNA，而不管它们是否与crRNA同源，或是否存在PFS。这一点与Cas9截然不同。对于细菌而言，这种性质是有意义的。若细菌被噬菌体感染，它能够激活程序性细胞死亡或休眠状态，以限制感染在整个群体中的传播。

Cas13a的潜在应用

那么，Cas13a可以应用在哪些方面呢？对于初学者来说，Cas13a可用来结合和切割RNA目标，不过这方面的应用可能受限，因为一旦目标被破坏，Cas13a就会失去控制。因此，Cas13a的突变体研究有望成为新的热点，使其特异切割RNA目标，但是随后不会切割非特异的RNA。此外，人们可利用dCas13a来分离群体中的特定RNA序列，或利用荧光标记的dCas13a来研究活细胞中的RNA加工。

最近，张锋实验室还发表了一篇文章，证明了Cas13a可以高特异性地检测RNA单分子。他们开发出的SHERLOCK系统可检测血清、尿液和唾液中低浓度的寨卡病毒，并确定病毒载量，区分不同病毒株。它还可以对人类DNA进行基因分型，并鉴定游离DNA中的肿瘤突变。未来，Cas13a有望继续扩大CRISPR的应用范围。田克恭团队建立了新方法：Crispr-Cas13a可视化检测猪繁殖与呼吸综合征病毒(PRRSV)