PAM,即原间隔区相邻基序(Protospacer Adjacent Motif),是CRISPR-Cas系统中Cas蛋白识别并结合目标DNA序列的关键元件。PAM序列位于Cas蛋白识别的间隔区序列(Protospacer)的3'端,对于Cas蛋白识别和切割DNA至关重要。不同的Cas蛋白识别不同的PAM序列,例如SpCas9识别NGG序列,而SaCas9识别NNGRRT序列。PAM的存在和识别是Cas蛋白发挥功能的前提,也是限制其应用范围的重要因素。
近年来,科学家们通过蛋白质工程和定向进化等方法,对Cas蛋白的PAM识别特性进行了深入研究,成功开发出多种PAM灵活的Cas蛋白变体,扩大了CRISPR-Cas系统的应用范围。例如,研究人员通过逐步的结构指导突变,在SpdCas9的基础上创建了PAM灵活的变体SpdNG-LWQT,该变体能够识别5'-NRN-3' PAMs,从而实现了对几乎任何基因的ATG起始密码子的结合和基因抑制[1]。此外,通过替换SpCas9的PAM结合基序,研究人员成功创建了SedCas9-NQ变体,该变体能够识别NNG和NAA PAMs,并用于细菌中的基因表达调控[2]。
除了SpCas9,其他Cas蛋白如SaCas9、Cpf1等也已被开发出PAM灵活的变体。例如,SaCas9变体SaCas9-HF1能够识别NNGRRT和NNGRT PAMs,Cpf1变体Cpf1-2xN能够识别NNS PAMs。这些PAM灵活的Cas蛋白变体的开发,为CRISPR-Cas系统在基因编辑、基因治疗和合成生物学等领域的应用提供了更多的可能性。
在CRISPR-Cas系统中,PAM序列的识别和结合是Cas蛋白发挥功能的第一步。PAM序列的长度、位置和序列组成都对Cas蛋白的识别和结合至关重要。此外,PAM序列的变异也会影响Cas蛋白的识别和结合,从而影响CRISPR-Cas系统的效率和特异性。因此,PAM序列的识别和结合是CRISPR-Cas系统研究和应用的关键问题。
通过蛋白质工程和定向进化等方法,研究人员已经成功开发出多种PAM灵活的Cas蛋白变体,扩大了CRISPR-Cas系统的应用范围。这些PAM灵活的Cas蛋白变体在基因编辑、基因治疗和合成生物学等领域具有广泛的应用前景,为解决PAM序列的限制提供了新的思路和方法。
参考文献:
1. Wang, Jian, Teng, Yuxi, Zhang, Ruihua, Xie, Zhong-Ru, Yan, Yajun. 2021. Engineering a PAM-flexible SpdCas9 variant as a universal gene repressor. In Nature communications, 12, 6916. doi:10.1038/s41467-021-27290-9. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34824292/
2. Wang, Jian, Teng, Yuxi, Gong, Xinyu, Xie, Zhong-Ru, Yan, Yajun. 2022. Exploring and engineering PAM-diverse Streptococci Cas9 for PAM-directed bifunctional and titratable gene control in bacteria. In Metabolic engineering, 75, 68-77. doi:10.1016/j.ymben.2022.10.005. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36404524/