Cell：新研究揭示CRISPR-Cas10抵抗病毒感染新机制

一直以来，CRISPR-Cas9 都被比喻为一种基因剪刀，因为它能够优雅而精确地剪切任何所需的 DNA 片段。但事实证明，CRISPR 系统的工具箱里不只有一种策略。CRISPR最初是在细菌中发现的一种机制，它作为一种适应性免疫系统已经运行了数个世纪。某些单细胞生物会自然地利用CRISPR来保护自己免受病毒（称为噬菌体）和其他外来基因片段的侵害。

如今，在一项新的研究中，洛克菲勒大学细菌学实验室的Luciano Marraffini及其团队和纪念斯隆-凯特琳癌症中心结构生物学实验室的Dinshaw Patel及其团队发现一种CRISPR系统不仅能用基因剪刀对付入侵者，还能充当某种分子熏蒸剂。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“The CRISPR-associated adenosine deaminase Cad1 converts ATP to ITP to provide antiviral immunity”。

在这篇论文中，作者发现，这种称为CRISPR-Cas10的CRISPR系统能用有毒分子淹没受病毒感染的细菌，从而阻止病毒在细菌群体的其他部分传播。

论文共同第一作者、Marraffini实验室的Christian Baca说，“这是一种全新的CRISPR化学。这更加证明了CRISPR系统拥有一系列免疫策略。”

细胞关闭

CRISPR系统有六种类型；例如，CRISPR-Cas9属于II型CRISPR系统，Cas9酶是DNA剪刀。在这项新的研究中，作者研究了一种名为 CRISPR-Cas10 的 III 型CRISPR系统。

在这两种系统中，向导RNA（gRNA） 识别有问题的遗传物质，然后酶开始剪切。不过，CRISPR-Cas10 复合物也会产生一种叫做环状寡腺苷酸（cOA）的小型第二信使分子，帮助关闭细胞活动，从而阻止病毒传播。这第二道防线就好比熏蒸一个害虫猖獗的房间，然后迅速关上房门，控制住虫害，使其无法扩散到房子的其他地方。

Baca说，这种双管齐下的应对方法在很大程度上取决于时机。他说，“只要gRNA识别的目标转录本是在病毒感染的早期产生的，单靠 Cas10 就能清除细胞中的噬菌体或质粒。但如果有问题的片段是在感染后期才产生的，那么这些 cOA 分子对防御就至关重要。”

Marraffini补充说，“这样一来，III型CRISPR系统的工作原理就类似于哺乳动物的先天免疫途径，如cGAS-STING，它产生环状核苷酸来激活宿主反应。”

虽然人们已经知道了这么多，但一种称为CRISPR相关腺苷脱氨酶1（CRISPR-associated adenosine deaminase 1, Cad1）的新型III型CRISPR蛋白如何实现细胞关闭背后的确切分子动力学却不为人知。

CRISPR-Cas10系统工作示意图

为了找出答案，作者对Cad1进行了详细的分子和结构分析，利用低温电镜和其他先进方法揭示了不寻常的结构和动力学，从而解释了该系统如何暂停细胞活动。

在CRISPR-Cas10系统中，Cad1会通过cOA与这种蛋白中一个名为CARF结构域的部分结合，对病毒的存在发出警报。这反过来又刺激 Cad1 将 ATP（细胞的能量货币）转化为 ITP（一种中间核苷酸，通常少量存在于细胞中），随着ITP充斥于细胞中。高剂量的ITP会对细胞产生毒性，因此细胞活动会停止，使细胞处于休眠状态。

论文共同第一作者、Patel实验室博士后研究学者Puja Majumder说，“当病毒被封存在细胞内时，受感染的细胞就牺牲了，但更大的细菌群体却得到了保护。”目前还不清楚它为什么会产生这种影响。一种理论认为，过量的ITP会竞争对正常细胞功能至关重要的蛋白中通常由ATP或GTP占据的结合位点；另一种理论认为，高水平的ITP会干扰噬菌体DNA的复制。Majumder 说，“但我们还不知道原因何在。”

他们发现的一个潜在应用是作为感染诊断工具。Baca指出，“ITP的存在表明样本中存在病原体转录本。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Christian F. Baca et al. The CRISPR-associated adenosine deaminase Cad1 converts ATP to ITP to provide antiviral immunity. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.10.002.