Cell｜牺牲自我，保护集体—CRISPR-Cas10的抗病毒免疫机制- 大数跨境

全球生物科技

2024-11-29

导读：CRISPR系统

撰文｜陈思 GBT团队

CRISPR技术的问世掀起了基因编辑领域的革命，但这项技术的应用远不止于此。CRISPR系统，作为细菌和古菌的一种天然防御机制，能够通过识别和降解外来遗传物质来抵御病毒的入侵。我们熟悉的CRISPR-Cas9系统常被称为“分子剪刀”，能够精准地切割特定DNA序列。然而，最新研究揭示了CRISPR系统的更多惊人机制，其中包括III型CRISPR系统（CRISPR-Cas10）的抗病毒策略，这种策略并不是通过简单的核酸降解，而是通过释放一种毒性分子来保护细菌群体。

一项由洛克菲勒大学 Luciano A. Marraffini 团队领衔完成，论文题为：The CRISPR-associated adenosine deaminase Cad1 converts ATP to ITP to provide antiviral immunity的研究揭示了III型CRISPR系统（CRISPR-Cas10）的独特工作方式。在细菌遭遇噬菌体攻击时，III型CRISPR系统会被激活，并释放一种名为三磷酸肌苷（ITP）的细胞毒性物质。ITP的产生源于三磷酸腺苷（ATP）经由脱胺作用转换而来，它能够抑制被感染的细菌细胞生长，防止噬菌体的进一步扩散。

III型CRISPR系统中Cad1蛋白在细菌抗病毒免疫中的工作原理

当噬菌体感染细菌时，其DNA被转录成RNA，生成“入侵”信号。III型CRISPR系统的Cas10-Csm复合体识别并结合到这些噬菌体RNA上，随后通过其HD和Palm结构域产生环状寡聚腺苷酸（cAn）。这些cAn分子激活了Cad1蛋白，使其从“关闭”状态（Apo-Cad1）转变为活跃状态（cAn-Cad1）。

在被激活的状态下，Cad1会将ATP转化为ITP，并导致ITP在细胞内的积累。ITP的积累会引发感染细菌的生长停滞，阻止噬菌体的增殖，从而保护了细菌种群免受病毒的进一步传播。这种防御机制显示出细菌通过毒性分子来牺牲受感染的宿主细胞，以此遏制病毒扩散的策略。

· Cad1在III-A型CRISPR-Cas系统中的分布：

·Cad1主要分布在III型CRISPR系统中，尤其是A和B亚型的CRISPR系统，并且在多个细菌门类中都有发现（图中展示了Cad1在不同门类中的分布情况）。

·为了研究Cad1的活性和功能，研究者将III-A型CRISPR-cas基因位点克隆到金黄色葡萄球菌RP62的质粒pC194上，并替换了csm6效应物为Cad1，生成了pCRISPR质粒（图中的Panel B显示了质粒结构）。

·为了防止Cas10的单链DNA酶活性降解目标质粒pTarget，研究团队将Cas10的HD结构域突变（H14A和D15A），并以没有靶向序列的质粒（Δspc）或Cas10的掌状结构域突变（cas10palm, D586A和D587A）作为对照。

冷冻电镜（cryo-EM）对全长Cad1的结构研究显示，单个Cad1首先组成一个二聚体，然后三个二聚化的Cad1组装成一个六聚体复合物。Cad1具有两种活性位点，其中一个结构域间位点结合ATP，而另一个脱氨酶活性位点结合ATP/ITP。cOA的结合可以诱导脱氨酶活性位点的结构变化，将ATP转化为ITP。