Nature子刊：馮越/楊茂君團(tuán)隊解析噬菌體I-F型CRISPR-Cas系統(tǒng)招募Cas2/3的分子機(jī)制

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來源：生物世界

2024-07-10

CRISPR-Cas系統(tǒng)廣泛存在于細(xì)菌和古菌中，是原核生物的一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，用來抵御病毒、質(zhì)粒等外源核酸的侵入。CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫機(jī)制分為3個階段：適應(yīng)，表達(dá)和干擾。2013年，研究人員發(fā)現(xiàn)ICP1噬菌體也攜帶了CRISPR-Cas系統(tǒng)，這是首個發(fā)現(xiàn)的噬菌體來源的CRISPR-Cas系統(tǒng)。

CRISPR-Cas系統(tǒng)廣泛存在于細(xì)菌和古菌中，是原核生物的一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，用來抵御病毒、質(zhì)粒等外源核酸的侵入。CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫機(jī)制分為3個階段：適應(yīng)，表達(dá)和干擾。2013年，研究人員發(fā)現(xiàn)ICP1噬菌體也攜帶了CRISPR-Cas系統(tǒng)，這是首個發(fā)現(xiàn)的噬菌體來源的CRISPR-Cas系統(tǒng)。

ICP1 CRISPR-Cas系統(tǒng)相較于細(xì)菌CRISPR-Cas系統(tǒng)，最明顯的區(qū)別是ICP1系統(tǒng)中的Cas8f亞基缺失了螺旋束結(jié)構(gòu)域（helical bundle domain，HB），而在細(xì)菌CRISPR-Cas系統(tǒng)中，Cas8f HB負(fù)責(zé)招募Cas2/3核酸酶結(jié)合到Csy以及靶DNA上以降解靶DNA。在ICP1 Cas8f缺失HB的情況下，ICP1 CRISPR-Cas系統(tǒng)如何招募Cas2/3降解靶DNA一直懸而未決。Cas1作為首個被鑒定出的Cas基因，長久以來一直被認(rèn)為只參與CRISPR-Cas系統(tǒng)免疫機(jī)制的第一個階段——即適應(yīng)階段，沒有報道顯示其可以在其他兩個階段發(fā)揮功能。

2024年7月8日，北京化工大學(xué)馮越課題組與清華大學(xué)楊茂君課題組合作，在 Nature Chemical Biology 期刊發(fā)表了題為：Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system 的研究論文。

該研究報道了ICP1噬菌體CRISPR-Cas系統(tǒng)獨特的借助Cas1蛋白招募Cas2/3降解靶DNA的分子機(jī)制。

Cas1 mediates the interference stage in a phage-encoded CRISPR–Cas system 研究論文

在這項研究中，馮越課題組通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)和噬菌體學(xué)等多種手段闡明了ICP1 CRISPR-Cas系統(tǒng)復(fù)合物全新的招募Cas2/3的分子機(jī)制。

首先，他們發(fā)現(xiàn)ICP1 Cas1可以結(jié)合ICP1 Csy或Csy-dsDNA復(fù)合物，而銅綠假單胞菌的Cas1不能結(jié)合其Csy或Csy-dsDNA復(fù)合物；其次，ICP1 Cas1-Cas2/3復(fù)合物結(jié)合ICP1 Csy-dsDNA后，可以形成穩(wěn)定的Csy-dsDNA-Cas1-Cas2/3復(fù)合物，馮越課題組和楊茂君課題組合作解析了該復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（圖1）。該復(fù)合物中，Cas1-Cas2/3復(fù)合物位于中心，兩側(cè)各結(jié)合一個Csy-dsDNA復(fù)合物，形成一個異源24聚體，總分子量約1 MDa，這也是首個I-F型CRISPR-Cas系統(tǒng)結(jié)合Cas2/3的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，而銅綠假單胞菌Cas1-Cas2/3結(jié)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(fù)合物；最后，通過對復(fù)合物結(jié)合界面分析后，研究團(tuán)隊設(shè)計了一系列破壞Cas1和Cas2/3與其它亞基結(jié)合的突變體，用于體內(nèi)和體外的活性實驗。結(jié)果表明，ICP1 Cas2/3只有在Cas1存在時，才能更好的降解Csy復(fù)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(jié)合以上結(jié)果，研究團(tuán)隊提出了ICP1 CRISPR-Cas系統(tǒng)由Cas1招募Cas2/3進(jìn)行靶DNA降解的新機(jī)制（圖1）。

圖1：ICP1 I-F型 CRISPR-Cas系統(tǒng)干擾機(jī)制

綜上，Cas1在ICP1 CRISPR-Cas系統(tǒng)中通過連接Csy復(fù)合物和Cas2/3來介導(dǎo)靶DNA的切割。這一發(fā)現(xiàn)展示了ICP1 Cas1在干擾階段的關(guān)鍵作用，打破了長久以來認(rèn)為其僅在適應(yīng)階段發(fā)揮作用的傳統(tǒng)觀點。

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