Nature子刊：冯越/杨茂君团队解析噬菌体I-F型CRISPR-Cas系统招募Cas2/3的分子机制

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来源：生物世界

2024-07-10

CRISPR-Cas系统广泛存在于细菌和古菌中，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，这是首个发现的噬菌体来源的CRISPR-Cas系统。

CRISPR-Cas系统广泛存在于细菌和古菌中，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，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。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。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 期刊发表了题为：Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system 的研究论文。

该研究报道了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。

Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system 研究论文

在这项研究中，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；最后，通过对复合物结合界面分析后，研究团队设计了一系列破坏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，研究团队提出了ICP1 CRISPR-Cas系统由Cas1招募Cas2/3进行靶DNA降解的新机制（图1）。