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Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR-Cas system

机译：转座子编码的CRISPR-Cas系统靶向DNA的结构基础

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摘要

Bacteria use adaptive immune systems encoded by CRISPR and Cas genes to maintain genomic integrity when challenged by pathogens and mobile genetic elements(1-3). Type I CRISPR-Cas systems typically target foreign DNA for degradation via joint action of the ribonucleoprotein complex Cascade and the helicase-nuclease Cas3(4,5), but nuclease-deficient type I systems lacking Cas3 have been repurposed for RNA-guided transposition by bacterial Tn7-like transposons(6,7). How CRISPR- and transposon-associated machineries collaborate during DNA targeting and insertion remains unknown. Here we describe structures of a TniQ-Cascade complex encoded by the Vibrio cholerae Tn6677 transposon using cryo-electron microscopy, revealing the mechanistic basis of this functional coupling. The cryo-electron microscopy maps enabled de novo modelling and refinement of the transposition protein TniQ, which binds to the Cascade complex as a dimer in a head-to-tail configuration, at the interface formed by Cas6 and Cas7 near the 3' end of the CRISPR RNA (crRNA). The natural Cas8-Cas5 fusion protein binds the 5' crRNA handle and contacts the TniQ dimer via a flexible insertion domain. A target DNA-bound structure reveals critical interactions necessary for protospacer-adjacent motif recognition and R-loop formation. This work lays the foundation for a structural understanding of how DNA targeting by TniQ-Cascade leads to downstream recruitment of additional transposase proteins, and will guide protein engineering efforts to leverage this system for programmable DNA insertions in genome-engineering applications.
机译：细菌利用CRISPR和Cas基因编码的适应性免疫系统在受到病原体和移动遗传元件的攻击时保持基因组完整性（1-3）。 I型CRISPR-Cas系统通常通过核糖核蛋白复合体Cascade和解旋酶-核酸酶Cas3（4,5）的联合作用来靶向外源DNA降解，但是缺少Cas3的核酸酶缺陷型I系统已经被RNA引导转座细菌Tn7样转座子（6,7）。 CRISPR和转座子相关的机器如何在DNA靶向和插入过程中协同工作仍然未知。在这里，我们描述了由霍乱弧菌Tn6677转座子使用低温电子显微镜编码的TniQ级联复合物的结构，揭示了这种功能性耦合的机制基础。低温电子显微镜图使从头建模和精制转座蛋白TniQ成为可能，它从头到尾构型以二聚体的形式与Cascade复合体结合，位于Cas6和Cas7形成的界面的3'端附近。 CRISPR RNA（crRNA）。天然Cas8-Cas5融合蛋白结合5'crRNA手柄，并通过灵活的插入域与TniQ二聚体接触。靶DNA结合结构揭示了原间隔物相邻基序识别和R环形成所必需的关键相互作用。这项工作为从结构上了解TniQ-Cascade的DNA靶向如何导致下游转座酶蛋白的下游募集奠定了基础，并将指导蛋白工程学努力利用该系统在基因组工程应用中利用该系统进行可编程的DNA插入。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2020年第7789期|271-274|共4页
  • 作者

    Halpin-Healy Tyler S.; Klompe Sanne E.; Sternberg Samuel H.; Fernandez Israel S.;

  • 作者单位

    Columbia Univ Dept Biochem & Mol Biophys New York NY 10027 USA;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
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