腾冲脂环酸芽孢杆菌D-1中AtCas9的结构特征及作用机制研究
批准号:
32070106
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
丁俊美
依托单位:
学科分类:
微生物与环境互作
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁俊美
中文摘要
CRISPR/Cas系统是细菌和古菌在长期进化过程中形成的一种获得性免疫防御机制。不同微生物中CRISPR/Cas9系统的组成及其作用机制存在差异,然而差异性产生的原因及其功能特异性有待于深入研究。申请人在前期研究中发现腾冲脂环酸芽孢杆菌D-1基因组中存在CRISPR/Cas9系统,其CRISPR组成、Cas基因簇、Cas9对PAM的识别序列以及对靶标DNA的切割方式与现有报道显著不同。本项研究首先解析AtCas9与向导RNA及靶标DNA三元复合物的蛋白结构;然后基于结构解析AtCas9识别PAM序列、向导RNA及靶标DNA的分子机制、关键结构域及氨基酸位点;最后基于体内、体外基因编辑实验探究AtCas9的作用机制。本研究为深入认识细菌CRISPR/Cas系统的多样性及其独特的抵抗异源核酸入侵机制具有重要科学意义,也为开发全新的基因编辑工具提供理论基础。
英文摘要
CRISPR/Cas (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats-CRISPR associated) system is an acquired immune defense mechanism formed in the long-term evolution of bacteria and archaea. The composition and function mechanism of CRISPR/Cas9 is different in different microorganisms. However, the reasons and mechanisms of these differences are need to be further investigated. In our previous study, a new CRISPR/Cas9 system from Alicyclobacillus tengchongensis D-1 was identified, and its CRISPR composition, Cas gene clusters, PAM recognition sequence and cleavage mechanism towards target DNA were different from now reported. To study this CRISPR/Cas9 system, we will first determine the structure of AtCas9 in complex with sgRNA and target DNA; Then, to resolve the recognition mechanism of AtCas9 to PAM, sgRNA and target DNA, and the critical domains and amino acids involved based on the AtCas9 structure; At last, to explore the mechanism of AtCas9 used in vivo and in vitro genome editing experiments. Combined with all the results above, it is of great scientific significance to further understand the diversity of CRISPR/Cas system and molecular mechanism of how bacteria resist heterologous nucleic acids invasion through CRISPR/Cas system. Meanwhile, it can also provide theoretical basis for the development of new genome editing tools.
CRISPR/Cas系统是一种原核生物的免疫系统,存在于~90%的古菌和~40%的细菌基因组中,主要用来抵抗外源遗传物质的入侵,是一种获得性免疫防御机制。CRISPR/Cas系统中Class II家族的效应蛋白由最初发现Cas9,逐步增加到Cpf1、Cas12b、Cas12c、CasX(Cas12e)、Cas13a、Cas13b以及Cas13d等,它们来源于不同生境中的不同微生物,且作用机制也不同。然而,即使是同一种CRISPR/Cas系统,其Cas效应蛋白的作用机制也千差万别。本项目中的CRISPR/Cas系统来源于非致病性、高温、耐酸的腾冲脂肪酸芽孢杆菌D-1,其CRISPR组成、Cas基因簇及Cas9对PAM的识别序列与现有报道不同,然而其机制不清。通过本项目的实施,解析了D-1菌株中Cas9效应蛋白(AtCas9)识别PAM的新机制,AtCas9对于PAM无明显偏好,其识别的PAM序列为N4CNNN和N4RNNA(R=A或G),可以覆盖68%的基因组序列,且AtCas9对真核细胞的DNA具有高效编辑活力。通过体内体外编辑实验,证实:AtCas9对DNA的切割依赖于DNA构象调控,对特定DNA构象进行不依赖PAM的任意切割。基于AlphaFold2及SWISS模型对AtCas9结构分析,发现:AtCas9蛋白有一特殊loop结构域,可紧密嵌入DNA大沟中,是Cas9与DNA互作的靶点。因此,AtCas9-PAM相互作用模式和DNA拓扑结构共同决定了AtCas9对底物的切割活性。该研究揭示了一种全新的Cas9-PAM相互作用机制,其对松散构象的广谱PAM编辑为基因组编辑家族提供了一个潜在的新工具。
腾冲脂环酸芽孢杆菌D-1中新型CRISPR/Cas9系统作用机制研究
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批准号:31960023
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:41.0万元
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批准年份:2019
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负责人:丁俊美
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依托单位:
GDSL酯酶的定向进化与分子改造研究
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批准号:31600083
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2016
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负责人:丁俊美
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依托单位:
Asr1p在酿酒酵母细胞周期G2/M转变中的作用机制
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批准号:31460022
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:53.0万元
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批准年份:2014
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负责人:丁俊美
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依托单位:
国内基金
海外基金