利用单分子荧光手段揭示CRISPR-Cas蛋白靶向和剪切机制

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21877069
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    67.5万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0707.化学生物学理论、方法与技术
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)-associated(Cas) system is a RNA-guided prokaryotic immune system evolved to target foreign genetic elements such as plasmid, phage DNAs and RNAs. Among them, class 2 CRISPR associated (Cas) proteins are especially attractive. Because they use a single large Cas protein to degrade foreign nucleic acids. The simplicity and specificity of programmable DNA/RNA recognition and cleavage by CRISPR-Cas proteins enable applications of precision genome editing and manipulation across many areas of biology...Enormous efforts have been made to reveal molecular mechanisms governing target searching and cleavage of Cas9. Several recent evidences presented new functions of Cas9, which suggested that furthermore studies on Cas9 are still demanded. On the other hand, research works on other class 2 CRISPR-Cas9 proteins, such as Cpf1 and C2c2, are still in their early stages...CRISPR-Cas proteins mediated DNA/RNA recognition and cleavage is a highly dynamic multi-step process, including target searching, recognition, and cleavage. Now, we are developing and applying single-molecule and ensemble biochemical assays to examine these processes in details. We mainly focus on class 2 Cas proteins, such as Cas9, Cpf1, and C2c2. Our aims are to elucidate molecular mechanisms governing rapid target searching and specificity of target recognition and cleavage and to provide guidance to improve and optimize CRISPR-Cas toobox.
CRISPR-Cas系统是细菌和古生菌进化形成的抵御入侵噬菌体和质粒的适应性免疫系统。其中第二类的CRISPR-Cas系统,只需要一个多结构域的蛋白和一条单链RNA的介导就可以完成对特定核酸的识别和切割,因而在基因编辑和基因工程等领域有广泛的应用前景。Cas9作为Cas家族的明星分子,受到了广泛地关注,并进行了大量系统地研究。现在对Cas9在sgRNA介导下识别和剪切靶标DNA的工作机制有了一定的认知。但近期有新的证据表明,Cas9还有许多功能有待验证、发掘和认知。而其它第二类的CRISPR-Cas蛋白,如Cpf1和C2c2的功能研究仍然处在初期阶段,还有大量的探索工作有待完成。本项目将以Cas9、Cpf1和C2c2为主要研究对象,结合单分子荧光手段和生化实验从微秒到分钟的时间尺度上表征Cas蛋白在底物搜寻、识别和剪切过程中的动力学信息和构型变化,并阐释Cas蛋白功能的分子机制。

结项摘要

CRISPR-Cas系统是细菌和古生菌进化形成的抵御入侵噬菌体和质粒的适应性免疫系统。其中第二类的CRISPR-Cas系统,只需要一个多结构域的蛋白和一条单链RNA的介导就可以完成对特定核酸的识别和切割,因而在基因编辑和基因工程等领域有广泛的应用前景。本项目以第二类的CRISPR-Cas系统中的Cas9、Cas12a和CasX为主要研究对象,结合单分子荧光手段和生化实验动态表征了Cas蛋白在底物搜寻、识别和剪切过程中的动力学信息和构型变化,阐释了Cas蛋白功能的分子机制并指导改造和优化了Cas蛋白。..首先,揭示了Cas12a蛋白复合体切割双链DNA的动态调控机制,从而阐明了Cas12a具有比Cas9更高的切割特异性的分子机制。其次,发现了Cas9和Cas12a蛋白均利用三维和一维扩散实现高效快速地搜寻靶点,揭示了介导其一维扩散的非特异性结合位点,并展示了通过改造这些位点,可以提高Cas9和Cas12a的切割特异性。最后,通过对sgRNA 3’端的改造,实现了对Cas9结合DNA特异性的提高。..为了利用单分子荧光技术捕捉Cas蛋白在DNA上快速动态过程,本项目还发展了新型的scanning FRET-FCS,实现从纳秒到秒的检测时间窗口和亚纳米级的空间分辨率。还发展了基于非天然氨基酸和非天然碱基的蛋白质和核酸标记手段,扩展了单分子荧光技术的应用场景。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Conformational Dynamics and Cleavage Sites of Cas12a Are Modulated by Complementarity between crRNA and DNA.
Cas12a 的构象动力学和切割位点受 crRNA 和 DNA 之间的互补性调节。
  • DOI:
    10.1016/j.isci.2019.08.005
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    iScience
  • 影响因子:
    5.8
  • 作者:
    Zhang Lujia;Sun Ruirui;Yang Mengyi;Peng Sijia;Cheng Yongxin;Chen Chunlai
  • 通讯作者:
    Chen Chunlai
Phosphorothioate-Based Site-Specific Labeling of Large RNAs for Structural and Dynamic Studies.
基于硫代磷酸酯的大 RNA 位点特异性标记,用于结构和动态研究。
  • DOI:
    10.1021/acschembio.2c00199
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    ACS Chemical Biology
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Yanping Hu;Yan Wang;Jaideep Singh;Ruirui Sun;Lilei Xu;Xiaolin Niu;Keyun Huang;Guangcan Bai;Guoquan Liu;Xiaobing Zuo;Chunlai Chen;Peter Z. Qin;Xianyang Fang
  • 通讯作者:
    Xianyang Fang
Target search and recognition mechanisms of glycosylase AlkD revealed by scanning FRET-FCS and Markov state models.
通过扫描 FRET-FCS 和马尔可夫态模型揭示糖基化酶 AlkD 的目标搜索和识别机制。
  • DOI:
    10.1073/pnas.2002971117
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
  • 影响因子:
    11.1
  • 作者:
    Peng Sijia;Wang Xiaowei;Zhang Lu;He Shanshan;Zhao Xin Sheng;Huang Xuhui;Chen Chunlai
  • 通讯作者:
    Chen Chunlai

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    2021
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    汪顺生;燕永芳;陈春来;寇建辉;郝丽
  • 通讯作者:
    郝丽

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构建紧密融合单分子测量与分子模拟的新型平台以揭示糖基化酶在基因组上高效找寻损伤碱基的分子机制
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  • 批准号:
    21922704
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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