MST技术在分子层面揭示免疫增效子PcrIIC1的作用
01 研究背景
CRISPR系统是在原核生物中发现的一种适应性免疫系统，可保护宿主细胞免受外来DNA的入侵。作为噬菌体和细菌免疫系统之间持续斗争的一部分，CRISPR系统已经进化成各种类型，每种类型都具有不同的功能。Cas9蛋白通过向导RNA（sgRNA）切割外源DNA的免疫特性被广泛研究和应用到基因编辑领域。II型Cas9是这些系统中研究最广泛的，具有多种亚型。目前尚不确定该家族成员是否能进化出额外的机制来对抗病毒入侵。
本期文献，研究者们通过前期鉴定大量基因及蛋白预测工作，揭示了II-C型Cas9的三个结构生长轨迹，进而发现了Chrysobacterium物种的CbCas9会与CRISPR–Cas系统促进（pro-CRISPR）蛋白（PcrIIC1）形成异源四聚体复合物。验证PcrIIC1能够作为一种CRISPR免疫增效子。作者借助MST技术直接在分子层面直观揭示了PcrIIC1免疫增效子的增强效果，降低实验设计难度，节省大量成本和时间。
02 研究内容
2024年5月29日，清华大学生命学院刘俊杰 (Jun-Jie Gogo Liu) 课题组联合北京大学生命学院白洋课题组和清华大学生命学院陈春来课题组在 Nature 杂志在线发表了题为“Pro-CRISPR PcrIIC1-associated Cas9 system for enhanced bacterial immunity” 的研究论文。
研究者鉴定了2062个完整的Cas9基因座，预测出相关蛋白结构，并揭示了II-C型Cas9的三个结构生长轨迹。研究者发现新的相关基因（NAG）往往存在于较大的II-C Cas9的基因座中。通过生化实验和冷冻电镜解析复合体结构表明，来自金黄色细菌属（Chryseobacterium sp.）的CbCas9生长出了一个全新的增强Cas9活性的β-REC2结构域，以及一个全新的能够与其关联基因PcrIIC1互作的CTH结构域。通过蛋白间相互作用，2个CbCas9蛋白和2个PcrIIC1蛋白能够形成异源四聚体复合物。这意味着PcrIIC1可以在整个CRISPR防御过程中与CbCas9结合。
为什么PcrIIC1要和Cas9结合呢？研究者通过MST实验直观地揭晓了答案。
MST实验显示PcrIIC1和apo-CbCas9之间具有中等的结合亲和力（Kd=2.56±0.28μM）（图1a）。值得注意的是，PcrIIC1和CbCas9–sgRNA之间的结合亲和力增加到334±120 nM的Kd值，PcrIIC1和Cb Cas9–sgRNA–dsDNA之间的结合亲和性增加到275±86 nM（28 bp）（图1b，c），表明sgRNA表达可能作为天然宿主中异源四聚体组装的检查点。（CRISPR免疫防御系统是通过Cas9蛋白与sgRNA结合来切割外源DNA来实现的，这个特性也被广泛研究和应用到基因编辑领域。）
图1. MST和冷冻电镜分析CbCas9和PcrIIC1结合的三个阶段
CbCas9与PcrIIC1结合后复合物有什么作用，为什么说PcrIIC1是免疫增效子呢？
MST实验也给出了直观的答案。与单独的CbCas9相比，CbCas9-PcrIC1复合物表现出增强的DNA结合（图2a）进而体现出切割活性，对原间隔区相邻基序序列的兼容性更广，对错配的耐受性更强，抗噬菌体免疫性增强。
图2. PcrIIC1增强CbCas9的DNA结合(a)、切割(b)、PAM兼容性(c)、DNA解旋 (d) 和错配容忍 (e) 能力
*图片来源https://life.tsinghua.edu.cn/info/1131/5848.htm
最后，为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响，研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验结果表明PcrIIC1显著提升CbCas9系统对噬菌体的抵抗，且如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用，会导致增强的免疫力丧失。以上结果说明CbCas9-PcrIIC1复合体的形成对整个CRISPR-Cas系统的免疫增强至关重要。
03 技术优势
本研究利用MST技术在分子层面直观的揭示了免疫增效子PcrIIC1的作用。对于分子互作亲和力的检测，Monolith系列仪器不依赖于分子量变化，蛋白用量少，是一种在溶液状态下表征分子互作的技术。对于蛋白可能需要形成多聚体，在溶液环境下，更能有效的体现蛋白与蛋白互作的真实情况。
当蛋白质形成复合物后，进一步的功能探究，如蛋白复合物与核酸的相互作用，通过Monolith系列仪器进行的实验设计更为简便，能够直观地展示相互作用的结果，从而凸显您研究的分子功能。
CRISPR系统是在原核生物中发现的一种适应性免疫系统，可保护宿主细胞免受外来DNA的入侵。作为噬菌体和细菌免疫系统之间持续斗争的一部分，CRISPR系统已经进化成各种类型，每种类型都具有不同的功能。Cas9蛋白通过向导RNA（sgRNA）切割外源DNA的免疫特性被广泛研究和应用到基因编辑领域。II型Cas9是这些系统中研究最广泛的，具有多种亚型。目前尚不确定该家族成员是否能进化出额外的机制来对抗病毒入侵。
本期文献，研究者们通过前期鉴定大量基因及蛋白预测工作，揭示了II-C型Cas9的三个结构生长轨迹，进而发现了Chrysobacterium物种的CbCas9会与CRISPR–Cas系统促进（pro-CRISPR）蛋白（PcrIIC1）形成异源四聚体复合物。验证PcrIIC1能够作为一种CRISPR免疫增效子。作者借助MST技术直接在分子层面直观揭示了PcrIIC1免疫增效子的增强效果，降低实验设计难度，节省大量成本和时间。
02 研究内容
2024年5月29日，清华大学生命学院刘俊杰 (Jun-Jie Gogo Liu) 课题组联合北京大学生命学院白洋课题组和清华大学生命学院陈春来课题组在 Nature 杂志在线发表了题为“Pro-CRISPR PcrIIC1-associated Cas9 system for enhanced bacterial immunity” 的研究论文。
研究者鉴定了2062个完整的Cas9基因座，预测出相关蛋白结构，并揭示了II-C型Cas9的三个结构生长轨迹。研究者发现新的相关基因（NAG）往往存在于较大的II-C Cas9的基因座中。通过生化实验和冷冻电镜解析复合体结构表明，来自金黄色细菌属（Chryseobacterium sp.）的CbCas9生长出了一个全新的增强Cas9活性的β-REC2结构域，以及一个全新的能够与其关联基因PcrIIC1互作的CTH结构域。通过蛋白间相互作用，2个CbCas9蛋白和2个PcrIIC1蛋白能够形成异源四聚体复合物。这意味着PcrIIC1可以在整个CRISPR防御过程中与CbCas9结合。
为什么PcrIIC1要和Cas9结合呢？研究者通过MST实验直观地揭晓了答案。
MST实验显示PcrIIC1和apo-CbCas9之间具有中等的结合亲和力（Kd=2.56±0.28μM）（图1a）。值得注意的是，PcrIIC1和CbCas9–sgRNA之间的结合亲和力增加到334±120 nM的Kd值，PcrIIC1和Cb Cas9–sgRNA–dsDNA之间的结合亲和性增加到275±86 nM（28 bp）（图1b，c），表明sgRNA表达可能作为天然宿主中异源四聚体组装的检查点。（CRISPR免疫防御系统是通过Cas9蛋白与sgRNA结合来切割外源DNA来实现的，这个特性也被广泛研究和应用到基因编辑领域。）
图1. MST和冷冻电镜分析CbCas9和PcrIIC1结合的三个阶段
CbCas9与PcrIIC1结合后复合物有什么作用，为什么说PcrIIC1是免疫增效子呢？
MST实验也给出了直观的答案。与单独的CbCas9相比，CbCas9-PcrIC1复合物表现出增强的DNA结合（图2a）进而体现出切割活性，对原间隔区相邻基序序列的兼容性更广，对错配的耐受性更强，抗噬菌体免疫性增强。
图2. PcrIIC1增强CbCas9的DNA结合(a)、切割(b)、PAM兼容性(c)、DNA解旋 (d) 和错配容忍 (e) 能力
*图片来源https://life.tsinghua.edu.cn/info/1131/5848.htm
最后，为了检验CRISPR免疫增效子PcrIIC1对CbCas9抗噬菌体免疫能力的影响，研究人员在大肠杆菌中进行了抗噬菌体实验。实验结果表明PcrIIC1显著提升CbCas9系统对噬菌体的抵抗，且如果破坏CbCas9与PcrIIC1的相互作用，会导致增强的免疫力丧失。以上结果说明CbCas9-PcrIIC1复合体的形成对整个CRISPR-Cas系统的免疫增强至关重要。
03 技术优势
本研究利用MST技术在分子层面直观的揭示了免疫增效子PcrIIC1的作用。对于分子互作亲和力的检测，Monolith系列仪器不依赖于分子量变化，蛋白用量少，是一种在溶液状态下表征分子互作的技术。对于蛋白可能需要形成多聚体，在溶液环境下，更能有效的体现蛋白与蛋白互作的真实情况。
当蛋白质形成复合物后，进一步的功能探究，如蛋白复合物与核酸的相互作用，通过Monolith系列仪器进行的实验设计更为简便，能够直观地展示相互作用的结果，从而凸显您研究的分子功能。
Monolith分子互作检测仪
