一種全新的CRISPR功能類型

長期以來，CRISPR-Cas9一直被比作一種基因剪刀，因為它能夠精確地剪掉任何想要的DNA片段。

但事實證明，CRISPR系統的工具箱中有不止一種策略。CRISPR最初是在細菌中發現的一種機制，它作為一種適應性免疫系統已經運作了億萬年，某些單細胞生物自然地利用它來保護自己免受病毒（稱為噬菌體）和其他外來基因片段的侵害。

現在，由Luciano Marraffini領導的洛克菲勒細菌學實驗室和由Dinshaw Patel領導的MSKCC結構生物學實驗室的研究人員發現，CRISPR系統不僅可以用基因剪刀來對抗入侵者，還可以作為一種molecular fumigator（分子熏制器）。在最近發表在《細胞》（Cell）雜志上的一篇文章中，科學家們發現，這種被稱為CRISPR-Cas10的系統可以向病毒感染的細菌注入有毒分子，從而阻止病毒在其他細菌群體中傳播。

“這是一種全新類型的CRISPR化學，”Marraffini實驗室的TPCB研究生，共同**作者Christian Baca說。“更多的證據表明，CRISPR系統擁有一系列可供使用的免疫策略。”

細胞關閉

有六種類型的CRISPR（“聚集規則間隔短回文重復序列”）系統；例如，CRISPR-Cas9是II型，Cas9酶起著DNA剪刀的作用。在目前的研究中，研究人員研究了一種名為CRISPR-Cas10的III型系統。

在這兩種系統中，引導RNA識別出有問題的遺傳物質，然后酶開始剪切。然而，CRISPR-Cas10復合體也會產生一種叫做環低聚腺苷酸（cOAs）的小的第二信使分子，它有助于關閉細胞活性，從而阻止病毒傳播。第二種方法類似于對一間害蟲肆虐的房間進行熏蒸，然后迅速關上門，以控制蟲害，使其不會蔓延到房子的其他地方。

Baca說，這種分兩部分的反應主要是時間問題。“Cas10可以單獨清除細胞中的噬菌體或質粒，只要被引導RNA識別的目標轉錄物是在病毒感染的早期制造的。但如果有問題的片段只在感染的后期產生，這些輔酶a分子對防御是必不可少的”。

Marraffini補充說：“通過這種方式，III型CRISPR系統的工作原理類似于哺乳動物的先天免疫途徑，如cGAS-STING，它產生環核苷酸來激活宿主反應。”

雖然這些都是已知的，但一種新的III型CRISPR蛋白，CRISPR相關腺苷脫氨酶1 （Cad1）究竟是如何實現細胞關閉的，其背后的分子動力學還不清楚。

有毒煙霧

為了找到答案，研究人員對Cad1進行了詳細的分子和結構分析，使用冷凍電鏡和其他先進的方法來揭示解釋該系統如何暫停細胞活動的不尋常結構和動力學。

在CRISPR-Cas10系統中，通過將輔酶a與稱為CARF結構域的蛋白質結合，Cad1被警告病毒的存在。這反過來刺激Cad1將ATP（細胞的能量貨幣）轉化為ITP（通常少量存在于細胞中的一種中間核苷酸），然后充斥細胞。高劑量的ITP會對細胞產生毒性，因此，細胞活動停止，使細胞處于休眠狀態。

“當病毒被隔離在被感染的細胞內時，被感染的細胞被犧牲了，但更大的細菌群得到了保護，”帕特爾實驗室的博士后研究學者、共同**作者Puja Majumder說。目前還不清楚它為什么會產生這種影響。一種理論認為，過量的ITP會競爭蛋白質中通常由ATP或GTP占據的結合位點，這些結合位點對正常細胞功能至關重要；另一個原因是高水平的ITP會干擾噬菌體DNA的復制。

“但是我們還不知道為什么，”Majumder說。

Baca指出，他們的發現的一個潛在應用是作為感染的診斷工具。“ITP的存在表明樣本中存在病原體轉錄物。”

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