引言
CRISPR-Cas系统广泛存在于细菌和古细菌中，是原核生物的一种适应性免疫系统，用来抵御病毒、质粒等外源核酸的侵入。CRISPR-Cas系统免疫机制分为3个阶段：适应，表达和干扰。2013年，研究人员发现ICP1噬菌体也携带了CRISPR-Cas系统【1】，这是首个发现的噬菌体来源的CRISPR-Cas系统。ICP1 CRISPR-Cas系统相较于细菌CRISPR-Cas系统，最明显的区别是ICP1系统中的Cas8f亚基缺失了螺旋束结构域（helical bundle domain, HB），而在细菌CRISPR-Cas系统中，Cas8f HB负责招募Cas2/3核酸酶结合到Csy以及靶DNA上以降解靶DNA【2】，包括AcrIF5在内的多种Anti-CRISPR蛋白针对Cas8f HB发挥抑制作用（引用2022年报道：Nat Chem Biol | 冯越组发表文章报道AcrIF5抑制I-F型CRISPR-Cas系统的分子机制）。在ICP1 Cas8f缺失HB的情况下，ICP1 CRISPR-Cas系统如何招募Cas2/3降解靶DNA一直悬而未决。而Cas1作为首个被鉴定出的Cas基因，长久以来一直被认为只参与CRISPR-Cas系统免疫机制的第一个阶段——即适应阶段，没有报道显示其可以在其他两个阶段发挥功能。2024年7月8日，北京化工大学冯越课题组与清华大学杨茂君课题组合作在Nature Chemical Biology在线发表了题为Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system的研究论文和An alternative mechanism for recruiting Cas2/3 in a phage-encoded CRISPR–Cas system的研究简报，报道了ICP1噬菌体CRISPR-Cas系统独特的借助Cas1蛋白招募Cas2/3降解靶DNA的分子机制。
在本研究中，冯越课题组通过结构生物学、生物化学和噬菌体学等多种手段阐明了ICP1 CRISPR-Cas系统复合物全新的招募Cas2/3的分子机制。首先，他们发现ICP1 Cas1可以结合ICP1 Csy或Csy-dsDNA复合物，而铜绿假单胞菌的Cas1不能结合其Csy或Csy-dsDNA复合物；其次，ICP1 Cas1-Cas2/3复合物结合ICP1 Csy-dsDNA后，可以形成稳定的Csy-dsDNA-Cas1-Cas2/3复合物，冯越课题组和杨茂君课题组合作解析了该复合物的冷冻电镜结构（图1）。该复合物中，Cas1-Cas2/3复合物位于中心，两侧各结合一个Csy-dsDNA复合物，形成一个异源24聚体，总分子量约1 MDa，这也是首个I-F型CRISPR-Cas系统结合Cas2/3的复合物结构，而铜绿假单胞菌Cas1-Cas2/3结合其Csy-dsDNA后，Cas1会逐渐从Cas2/3解离下来，最终只能形成Csy-dsDNA-Cas2/3复合物【3】；最后，通过对复合物结合界面分析后，冯越课题组设计了一系列破坏Cas1和Cas2/3与其它亚基结合的突变体，用于体内和体外的活性实验。结果表明，ICP1 Cas2/3只有在Cas1存在时，才能更好的降解Csy复合物靶向的DNA，而铜绿假单胞菌Cas1几乎不影响Cas2/3降解靶DNA。结合以上结果，冯越课题组提出了ICP1 CRISPR-Cas系统由Cas1招募Cas2/3进行靶DNA降解的新机制（图1）。
图1 ICP1 I-F型 CRISPR-Cas系统干扰机制(Credit: Nature Chemical Biology)综上，Cas1在ICP1 CRISPR-Cas系统中通过连接Csy复合物和Cas2/3来介导靶DNA的切割。这一发现展示了ICP1 Cas1在干扰阶段的关键作用，打破了长久以来认为其仅在适应阶段发挥作用的传统观点。参考文献
[1] SEED K D, LAZINSKI D W, CALDERWOOD S B, et al. A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innate immunity [J]. Nature, 2013, 494(7438): 489-491.[2] ROLLINS M F, CHOWDHURY S, CARTER J, et al. Structure Reveals a Mechanism of CRISPR-RNA-Guided Nuclease Recruitment and Anti-CRISPR Viral Mimicry [J]. Mol Cell, 2019, 74(1): 132-142 e135.[3] ROLLINS M F, CHOWDHURY S, CARTER J, et al. Cas1 and the Csy complex are opposing regulators of Cas2/3 nuclease activity [J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2017, 114(26): E5113-E5121.https://www.nature.com/articles/s41589-024-01659-5https://www.nature.com/articles/s41589-024-01667-5责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
End
往期精选
围观
一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版）热文
Cell | 是什么决定了细胞的大小？热文
Nature | 2024年值得关注的七项技术热文
Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望热文
CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述