復(fù)旦大學(xué)趙寶玉/陳振國合作最新Nature子刊

當(dāng)識別非自身靶RNA時，CorA關(guān)聯(lián)的III-B型CRISPR-Cas系統(tǒng)催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和ATP合成SAM-AMP，進而激活效應(yīng)蛋白CorA并引發(fā)免疫應(yīng)答。SAM-AMP可被NrN和SAM裂解酶降解，從而可能使系統(tǒng)失活。

2025年11月21日，復(fù)旦大學(xué)趙寶玉和陳振國共同通訊在NatureChemicalBiology在線發(fā)表題為“Molecular basis of SAM-AMP synthesis and degradation in the type III-B CRISPR–Cas system”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，源自脆弱擬桿菌的III-B型效應(yīng)復(fù)合物通過特異性機制識別非自身靶RNA并合成SAM-AMP。

非自身靶RNA的3′反標(biāo)簽序列誘導(dǎo)Cmr2亞基發(fā)生構(gòu)象變化，在不依賴Cmr3亞基莖環(huán)結(jié)構(gòu)的情況下觸發(fā)SAM-AMP的合成。SAM-AMP的結(jié)合促使NrN從開放構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合構(gòu)象，從而激活其3′–5′磷酸二酯鍵水解功能。SAM裂解酶形成三角狀三聚體，可特異性將SAM-AMP降解為5′-甲基硫代腺苷-AMP和高絲氨酸內(nèi)酯。這些發(fā)現(xiàn)揭示了SAM-AMP合成與降解的獨特機制，為深入理解III型CRISPR-Cas信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子基礎(chǔ)提供了新見解。

噬菌體是地球上數(shù)量最豐富、多樣性最高的生物實體。噬菌體捕食的持續(xù)威脅驅(qū)動了多種細(xì)菌防御系統(tǒng)的演化，這些系統(tǒng)能夠限制噬菌體的感染與復(fù)制。CRISPR-Cas系統(tǒng)是一種RNA引導(dǎo)的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，存在于大多數(shù)古菌和許多細(xì)菌中。CRISPR是一種獨特的DNA序列，可被轉(zhuǎn)錄并加工為成熟的CRISPR RNA（crRNA）。crRNA與Cas蛋白結(jié)合形成效應(yīng)復(fù)合物，通過識別同源噬菌體或質(zhì)粒的核酸觸發(fā)免疫應(yīng)答。

CRISPR-Cas系統(tǒng)可分為兩個類別、七種類型（I–VII）及眾多亞型。其中，III型因其標(biāo)志性亞基Cas10蛋白（屬于DNA聚合酶/RNA環(huán)化酶超家族）而被視為最古老的CRISPR-Cas系統(tǒng)。III型CRISPR-Cas系統(tǒng)可進一步分為六個亞型：四個經(jīng)典亞型（III-A至III-D）和兩個非經(jīng)典亞型（III-E與III-F）。III-A和III-D型的效應(yīng)復(fù)合物由五種Csm蛋白（Csm1–Csm5）組成，而III-B和III-C型則由六種Cmr蛋白（Cmr1–Cmr6）構(gòu)成。Csm與Cmr復(fù)合物中的Cas10蛋白分別稱為Csm1和Cmr2。當(dāng)識別非自身靶RNA后，經(jīng)典III型效應(yīng)復(fù)合物被激活，可降解靶RNA、催化ATP合成環(huán)寡腺苷酸（cOA）并降解單鏈DNA（ssDNA）。cOA作為第二信使，可結(jié)合特定效應(yīng)蛋白進而引發(fā)免疫應(yīng)答。

近期研究發(fā)現(xiàn)，一種與CorA蛋白緊密相關(guān)的新型III-B型CRISPR-Cas系統(tǒng)廣泛存在于噬纖維菌-擬桿菌-黃桿菌門細(xì)菌中。當(dāng)脆弱擬桿菌的III-B型效應(yīng)復(fù)合物感知非自身靶RNA后，會降解靶RNA并催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）與ATP合成SAM-AMP。SAM-AMP作為第二信使可激活效應(yīng)蛋白CorA（推測為二價陽離子轉(zhuǎn)運蛋白），可能通過破壞細(xì)胞膜完整性或開啟跨膜通道改變細(xì)胞內(nèi)二價陽離子穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致細(xì)胞休眠或死亡。值得注意的是，含CorA的III-B型CRISPR-Cas基因座常攜帶編碼降解SAM-AMP酶的基因，可能用于終止CRISPR-Cas系統(tǒng)的活性。在脆弱擬桿菌中，該基因座編碼DHH家族磷酸二酯酶NrN，可將SAM-AMP降解為SAM與AMP；而在肉毒梭菌中，則編碼SAM裂解酶，將SAM-AMP降解為5′-甲基硫代腺苷（MTA）-AMP和高絲氨酸內(nèi)酯。

模式機理圖（圖片源自NatureChemicalBiology）

既往對III型CRISPR-Cas效應(yīng)復(fù)合物的研究深化了作者對效應(yīng)復(fù)合物降解靶RNA、合成cOA及切割ssDNA機制的理解。特別是對冰島硫化葉菌III-B型效應(yīng)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究表明，靶RNA結(jié)合會誘導(dǎo)效應(yīng)復(fù)合物發(fā)生整體構(gòu)象變化，以6核苷酸為間隔單位切割靶RNA。非自身靶RNA的3′反標(biāo)簽序列可誘導(dǎo)Cmr3亞基的莖環(huán)結(jié)構(gòu)在伸展與收縮構(gòu)象間波動，從而激活Cmr2亞基進行cOA合成與ssDNA降解。然而，脆弱擬桿菌III-B型效應(yīng)復(fù)合物如何識別并切割靶RNA、非自身靶RNA如何激活Cmr2亞基合成SAM-AMP，以及為何Cmr2亞基合成SAM-AMP而非cOA，這些問題尚未闡明。

本研究通過冷凍電鏡技術(shù)解析了脆弱擬桿菌效應(yīng)復(fù)合物在未結(jié)合狀態(tài)、自身及非自身靶RNA結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示靶RNA結(jié)合同樣會誘導(dǎo)該效應(yīng)復(fù)合物發(fā)生整體構(gòu)象變化，并以6核苷酸間隔觸發(fā)靶RNA切割。出乎意料的是，Cmr3亞基的莖環(huán)僅呈現(xiàn)伸展構(gòu)象且不參與Cmr2亞基的激活。非自身靶RNA的3′反標(biāo)簽序列會誘導(dǎo)Cmr2亞基產(chǎn)生額外構(gòu)象變化，使ATP、Mn2?及活性位點殘基更靠近SAM，從而激活Cmr2亞基合成SAM-AMP。這表明脆弱擬桿菌效應(yīng)復(fù)合物采用新機制激活Cmr2亞基。Cmr2亞基活性中心的數(shù)個關(guān)鍵殘基通過促進SAM與ATP的結(jié)合，特異性驅(qū)動SAM-AMP而非cOA的合成。此外，作者解析了NrN、SAM裂解酶及其與SAM-AMP類似物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，闡明了這些酶特異性識別與降解SAM-AMP的分子機制。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02075-z