12月12日，湖南中醫(yī)藥大學(xué)李順祥教授、中藥學(xué)博士生段彥參與的中國(guó)藥科大學(xué)肖易倍教授團(tuán)隊(duì)牽頭的CRISPR-Cas調(diào)控ATP消耗抗病毒機(jī)制研究，以學(xué)校作為論文合作單位，在國(guó)際著名期刊Science（中科院一區(qū)TOP，IF:44.7）上發(fā)表題為“Antiviral signaling of a type III CRISPR-associated deaminase”的文章。

原核生物已經(jīng)進(jìn)化出了多種防御病毒感染的防御策略，如通過CRISPR-Cas(Clustered regularly interspaced short palindromic repeats and associated proteins)系統(tǒng)降解外源核酸和通過核苷酸池消耗抑制DNA/RNA合成。該研究闡明了一種III型CRISPR系統(tǒng)通過生成環(huán)化腺苷第二信使激活下游效應(yīng)脫氨酶來耗竭ATP，從而實(shí)現(xiàn)免疫的分子機(jī)制。

該研究首先通過生物信息學(xué)分析挖掘到一類III型CRISPR-Cas下游缺失了廣泛分布的核酸酶模塊，取而代之的是一個(gè)融合了第二信使識(shí)別結(jié)構(gòu)域的脫氨酶CAAD（CRISPR-Cas-associated adenosine deaminase），以及一個(gè)可能降解核苷的Nudix水解酶。表明該類系統(tǒng)的作用機(jī)制可能完全不同于已知的通過切割核酸實(shí)現(xiàn)免疫的CRISPR-Cas系統(tǒng)。然后通過體外重組，成功純化得到了負(fù)責(zé)識(shí)別外源核酸的Cmr復(fù)合物。接下來利用MALDI-TOF技術(shù)證明該效應(yīng)復(fù)合物通過互補(bǔ)配對(duì)識(shí)別外源核酸后，會(huì)利用ATP生成cA3/cA4/cA6三種環(huán)化腺苷。為確認(rèn)第二信使，測(cè)定了不同環(huán)化腺苷對(duì)CAAD脫氨酶的親和力，發(fā)現(xiàn)cA4和cA6均與CAAD有著極高的親和力，而cA3幾乎不會(huì)和CAAD結(jié)合。出乎意料的是，生化分析表明在該系統(tǒng)中，cA4和cA6均能高效激活CAAD的脫氨酶活性，并特異性地將ATP轉(zhuǎn)化成ITP。進(jìn)一步的生化實(shí)驗(yàn)證明CAAD下游的NH酶可特異性地將ITP降解成IMP，減少ITP的蓄積導(dǎo)致的細(xì)胞毒性，發(fā)揮解毒功能。最后通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該類III型CRISPR-Cas系統(tǒng)在Cmr復(fù)合物以及CAAD-NH的協(xié)同作用下，可以抑制被外源核酸侵?jǐn)_細(xì)菌的生長(zhǎng)，達(dá)到群體免疫的作用。

為進(jìn)一步解釋CAAD被第二信使的激活機(jī)制，利用冷凍電鏡技術(shù)捕捉到了CAAD從無活性到被激活過程中一系列的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，直接觀察到并證實(shí)了其激活過程中存在協(xié)同效應(yīng)。CAAD由N端的CARF結(jié)構(gòu)域和C端的脫氨酶結(jié)構(gòu)域組成，依靠其互作界面形成一個(gè)由三個(gè)CAAD二聚體組成的六聚體復(fù)合物。當(dāng)CARF未結(jié)合第二信使時(shí)，該結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)出高度柔性可變狀態(tài)，一旦CARF結(jié)合環(huán)化腺苷后，會(huì)發(fā)生60°旋轉(zhuǎn)，讓整個(gè)六聚體結(jié)構(gòu)更緊湊的同時(shí)，帶動(dòng)脫氨酶結(jié)構(gòu)域產(chǎn)生一系列構(gòu)象變化，最終激活脫氨酶活性中心。

該研究發(fā)現(xiàn)了CRISPR核酸免疫系統(tǒng)中一條全新的核苷代謝-免疫調(diào)控-抗病毒通路，拓展了對(duì)III型CRISPR系統(tǒng)抗病毒免疫的機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)效應(yīng)蛋白CAAD脫氨酶作用機(jī)制的闡明為改造利用該免疫機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。（文/ 段彥）

責(zé)編：余蓉

一審：余蓉

二審：黃京

三審：楊又華

來源：湖南日?qǐng)?bào)·新湖南客戶端