Cell：一种全新的CRISPR功能类型

长期以来，CRISPR-Cas9一直被比作一种基因剪刀，因为它能够精确地剪掉任何想要的DNA片段。

但事实证明，CRISPR系统的工具箱中有不止一种策略。CRISPR最初是在细菌中发现的一种机制，它作为一种适应性免疫系统已经运作了亿万年，某些单细胞生物自然地利用它来保护自己免受病毒（称为噬菌体）和其他外来基因片段的侵害。

现在，由Luciano Marraffini领导的洛克菲勒细菌学实验室和由Dinshaw Patel领导的MSKCC结构生物学实验室的研究人员发现，CRISPR系统不仅可以用基因剪刀来对抗入侵者，还可以作为一种molecular fumigator（分子熏制器）。在最近发表在《细胞》（Cell）杂志上的一篇文章中，科学家们发现，这种被称为CRISPR-Cas10的系统可以向病毒感染的细菌注入有毒分子，从而阻止病毒在其他细菌群体中传播。

“这是一种全新类型的CRISPR化学，”Marraffini实验室的TPCB研究生，共同第一作者Christian Baca说。“更多的证据表明，CRISPR系统拥有一系列可供使用的免疫策略。”

 细胞关闭

有六种类型的CRISPR（“聚集规则间隔短回文重复序列”）系统；例如，CRISPR-Cas9是II型，Cas9酶起着DNA剪刀的作用。在目前的研究中，研究人员研究了一种名为CRISPR-Cas10的III型系统。

在这两种系统中，引导RNA识别出有问题的遗传物质，然后酶开始剪切。然而，CRISPR-Cas10复合体也会产生一种叫做环低聚腺苷酸（cOAs）的小的第二信使分子，它有助于关闭细胞活性，从而阻止病毒传播。第二种方法类似于对一间害虫肆虐的房间进行熏蒸，然后迅速关上门，以控制虫害，使其不会蔓延到房子的其他地方。

Baca说，这种分两部分的反应主要是时间问题。“Cas10可以单独清除细胞中的噬菌体或质粒，只要被引导RNA识别的目标转录物是在病毒感染的早期制造的。但如果有问题的片段只在感染的后期产生，这些辅酶a分子对防御是必不可少的”。

Marraffini补充说：“通过这种方式，III型CRISPR系统的工作原理类似于哺乳动物的先天免疫途径，如cGAS-STING，它产生环核苷酸来激活宿主反应。”

虽然这些都是已知的，但一种新的III型CRISPR蛋白，CRISPR相关腺苷脱氨酶1 （Cad1）究竟是如何实现细胞关闭的，其背后的分子动力学还不清楚。

有毒烟雾

为了找到答案，研究人员对Cad1进行了详细的分子和结构分析，使用冷冻电镜和其他先进的方法来揭示解释该系统如何暂停细胞活动的不寻常结构和动力学。

在CRISPR-Cas10系统中，通过将辅酶a与称为CARF结构域的蛋白质结合，Cad1被警告病毒的存在。这反过来刺激Cad1将ATP（细胞的能量货币）转化为ITP（通常少量存在于细胞中的一种中间核苷酸），然后充斥细胞。高剂量的ITP会对细胞产生毒性，因此，细胞活动停止，使细胞处于休眠状态。

“当病毒被隔离在被感染的细胞内时，被感染的细胞被牺牲了，但更大的细菌群得到了保护，”帕特尔实验室的博士后研究学者、共同第一作者Puja Majumder说。目前还不清楚它为什么会产生这种影响。一种理论认为，过量的ITP会竞争蛋白质中通常由ATP或GTP占据的结合位点，这些结合位点对正常细胞功能至关重要；另一个原因是高水平的ITP会干扰噬菌体DNA的复制。

“但是我们还不知道为什么，”Majumder说。

Baca指出，他们的发现的一个潜在应用是作为感染的诊断工具。“ITP的存在表明样本中存在病原体转录物。”