CRISPR-Cascade在目标位点识别过程中的dsDNA解链机制
批准号:
32101203
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
薛超友
依托单位:
学科分类:
共性生物技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
薛超友
中文摘要
解析Cas蛋白与目标/脱靶位点的结合机制,将指导Cas蛋白低脱靶性的理性改造。Cas蛋白与目标/脱靶位点结合的一个前提是dsDNA解链。解链是个耗能过程,但Cas蛋白并非激酶,如何实现解链还不清楚。dsDNA解链是一瞬时过程,研究较为困难,该问题长期被CRISPR领域忽视,未得到解决。本项目将以Cascade为研究对象,解析其在位点识别过程中dsDNA的解链机制。根据项目负责人前期研究结果,推测PAM识别可诱导Cascade的构象变化,进而引起dsDNA的弯曲,导致了dsDNA的解链。本项目将利用单分子荧光能量共振转移技术对PAM识别、Cascade构象变化、DNA弯曲和解链之间的关系进行耦合性分析,解析Cascade在目标位点识别过程中dsDNA的解链机制。该研究将解决一个被CRISPR领域忽视的关键科学问题,为揭示其它Cas蛋白解链过程提供重要参考,指导Cas蛋白低脱靶性的理性改造。
英文摘要
Revealing Cas protein on-target/off-target binding mechanism will guide rational Cas protein engineering in reducing off-target effects. One of the prerequisites for Cas protein on-target/off-target binding is dsDNA unwinding. dsDNA unwinding requires energy, while Cas protein is not an ATPase/GTPase. The mechanism of how dsDNA is unwound by Cas protein without consuming ATP/GTP remains unclear. This problem has been ignored by the CRISPR filed because dsDNA unwinding during Cas protein target recognition process is transient and hard to analyze. This project will focus on dsDNA unwinding mechanism by Type I-E Cascade complex. Based on our previous results, we hypothesized that PAM recognition induces Cascade conformational change. Cascade conformational change will induce dsDNA bending and unwinding. In this project, we will use single-molecule FRET to directly visualize the relationship between PAM recognition, Cascade conformational change, DNA bending and unwinding. This project will reveal dsDNA unwinding mechanism by Cascade and provide a comprehensive kinetic model to understand dsDNA unwinding process by other Cas protein. Besides, this project will also provide information that can guide rational Cas protein engineering in reducing off-target effects and expanding PAM recognition.
高活性、高保真性的基因编辑技术在合成生物学、绿色生物制造、遗传性疾病和癌症治疗等方面起着至关重要的作用。目前CRISPR-Cas系统应用在需要精准基因编辑方向的主要限制性因素是该系统在基因编辑过程中对某些位点具有较高的脱靶性,严重的脱靶问题会诱发细胞癌变及死亡。因此,全面理解Cas蛋白PAM搜寻、目标位点双链DNA (dsDNA)解链形成单链DNA (ssDNA)、ssDNA与crRNA匹配检测、目标位点结合等过程,将会为降低Cas蛋白脱靶性提供理论指导。本项目通过围绕Cas蛋白目标位点的识别机制展开研究,利用单分子成像技术对Cas蛋白位点搜寻动力学、位点识别以及Cas蛋白在位点搜寻过程中的构象变化进行研究,进而阐明Cas蛋白位点搜寻、识别、dsDNA解链结合和切割的分子机制。在项目执行期间获得了同时标记Cy3、Cy5荧光集团和生物素标签的Cascade复合体,并建立了单分子荧光共振能量转移(smFRET)研究体系;通过单分子FRET 技术观测到Cascade搜寻目标位点过程中dsDNA解链成ssDNA不同构象状态和不同构象变化;研究发现了APO-Cascade的存在的不同构象,并且Cascade复合体在PAM识别与和底物DNA结合解链时伴有构象变化;进一步研究发现Cascade复合体中EcCas6e(仅199个氨基酸)蛋白存在一个次级带正电荷的沟槽,该结构通过中和crRNA磷酸骨架,减少crRNA与其靶mRNA之间的静电斥力,实现crRNA引导的靶mRNA识别和结合;结合单分子成像技术和动力学模拟解析了PAMless Cas9蛋白位点识别机制,发现了SpRY新的位点识别序列特征。
国内基金
海外基金