新研究發現噬菌體CRISPRCas系統新機制

CRISPR-Cas系統廣泛存在于細菌和古細菌中，是原核生物的一種適應性免疫系統，用來抵御病毒、質粒等外源核酸的侵入。然而在2013年，有研究人員在ICP1噬菌體中發現了I-F型CRISPR-Cas系統。噬菌體的CRISPR-Cas系統相較于細菌CRISPR-Cas系統有何特點尚待研究。

2024年7月8日，北京化工大學馮越課題組與清華大學楊茂君課題組合作在Nature Chemical Biology發表了題為“Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system”的研究長文以及“An alternative mechanism for recruiting Cas2/3 in a phage-encoded CRISPR–Cas system”的研究簡報，報道了ICP1噬菌體CRISPR-Cas系統獨特的招募Cas2/3降解靶DNA的機制。

本文通過結構生物學、生物化學和噬菌體學等多種手段闡明了ICP1 CRISPR-Cas系統復合物全新的招募Cas2/3的分子機制。首先，他們發現ICP1 Cas1可以結合ICP1 Csy或Csy-dsDNA復合物，而銅綠假單胞菌的Cas1并不能結合其Csy或Csy-dsDNA復合物；其次，ICP1 Cas1-Cas2/3復合物結合ICP1 Csy-dsDNA后，可以形成穩定的Csy-dsDNA-Cas1-Cas2/3復合物，該復合物由馮越課題組和楊茂君課題組合作解析（圖1）。該復合物中，Cas1-Cas2/3復合物位于中心，兩側各結合一個Csy-dsDNA復合物，總分子量約1 MDa，這也是首個I-F型CRISPR-Cas系統結合Cas2/3的復合物結構，而銅綠假單胞菌Cas1-Cas2/3結合其Csy-dsDNA后，Cas1會逐漸從Cas2/3解離下來，最終只能形成Csy-dsDNA-Cas2/3復合物；最后，體內和體外的活性實驗證明，ICP1 Cas2/3只有在Cas1存在時，才能更好地降解Csy復合物靶向的DNA，而銅綠假單胞菌Cas1幾乎不影響Cas2/3降解靶DNA。結合以上結果，馮越課題組提出了ICP1 CRISPR-Cas系統由Cas1招募Cas2/3進行靶DNA降解的新機制。

圖1 ICP1 I-F型 CRISPR-Cas系統干擾機制

綜上所述，Cas1在ICP1 CRISPR-Cas系統中通過連接Csy復合物和Cas2/3來介導靶DNA的降解。這一發現展示了Cas1在CRISPR-Cas系統干擾階段的關鍵作用，打破了領域內長期以來關于其僅在適應階段發揮作用的傳統觀念。

清華大學張來幸博士、北京化工大學王浩博士、清華大學曾建偉博士、北京化工大學曹雪利博士和已畢業碩士生高政宇為本論文的共同第一作者，北京化工大學馮越教授，張怡副教授與清華大學楊茂君教授為本文的共同通訊作者。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01659-5

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01667-5