復旦大學趙寶玉/陳振國合作最新Nature子刊

當識別非自身靶RNA時，CorA關聯的III-B型CRISPR-Cas系統催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和ATP合成SAM-AMP，進而激活效應蛋白CorA并引發(fā)免疫應答。SAM-AMP可被NrN和SAM裂解酶降解，從而可能使系統失活。

2025年11月21日，復旦大學趙寶玉和陳振國共同通訊在NatureChemicalBiology在線發(fā)表題為“Molecular basis of SAM-AMP synthesis and degradation in the type III-B CRISPR–Cas system”的研究論文。該研究發(fā)現，源自脆弱擬桿菌的III-B型效應復合物通過特異性機制識別非自身靶RNA并合成SAM-AMP。

非自身靶RNA的3′反標簽序列誘導Cmr2亞基發(fā)生構象變化，在不依賴Cmr3亞基莖環(huán)結構的情況下觸發(fā)SAM-AMP的合成。SAM-AMP的結合促使NrN從開放構象轉變?yōu)殚]合構象，從而激活其3′–5′磷酸二酯鍵水解功能。SAM裂解酶形成三角狀三聚體，可特異性將SAM-AMP降解為5′-甲基硫代腺苷-AMP和高絲氨酸內酯。這些發(fā)現揭示了SAM-AMP合成與降解的獨特機制，為深入理解III型CRISPR-Cas信號轉導的分子基礎提供了新見解。

噬菌體是地球上數量最豐富、多樣性最高的生物實體。噬菌體捕食的持續(xù)威脅驅動了多種細菌防御系統的演化，這些系統能夠限制噬菌體的感染與復制。CRISPR-Cas系統是一種RNA引導的適應性免疫系統，存在于大多數古菌和許多細菌中。CRISPR是一種獨特的DNA序列，可被轉錄并加工為成熟的CRISPR RNA（crRNA）。crRNA與Cas蛋白結合形成效應復合物，通過識別同源噬菌體或質粒的核酸觸發(fā)免疫應答。

CRISPR-Cas系統可分為兩個類別、七種類型（I–VII）及眾多亞型。其中，III型因其標志性亞基Cas10蛋白（屬于DNA聚合酶/RNA環(huán)化酶超家族）而被視為最古老的CRISPR-Cas系統。III型CRISPR-Cas系統可進一步分為六個亞型：四個經典亞型（III-A至III-D）和兩個非經典亞型（III-E與III-F）。III-A和III-D型的效應復合物由五種Csm蛋白（Csm1–Csm5）組成，而III-B和III-C型則由六種Cmr蛋白（Cmr1–Cmr6）構成。Csm與Cmr復合物中的Cas10蛋白分別稱為Csm1和Cmr2。當識別非自身靶RNA后，經典III型效應復合物被激活，可降解靶RNA、催化ATP合成環(huán)寡腺苷酸（cOA）并降解單鏈DNA（ssDNA）。cOA作為第二信使，可結合特定效應蛋白進而引發(fā)免疫應答。

近期研究發(fā)現，一種與CorA蛋白緊密相關的新型III-B型CRISPR-Cas系統廣泛存在于噬纖維菌-擬桿菌-黃桿菌門細菌中。當脆弱擬桿菌的III-B型效應復合物感知非自身靶RNA后，會降解靶RNA并催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）與ATP合成SAM-AMP。SAM-AMP作為第二信使可激活效應蛋白CorA（推測為二價陽離子轉運蛋白），可能通過破壞細胞膜完整性或開啟跨膜通道改變細胞內二價陽離子穩(wěn)態(tài)，導致細胞休眠或死亡。值得注意的是，含CorA的III-B型CRISPR-Cas基因座常攜帶編碼降解SAM-AMP酶的基因，可能用于終止CRISPR-Cas系統的活性。在脆弱擬桿菌中，該基因座編碼DHH家族磷酸二酯酶NrN，可將SAM-AMP降解為SAM與AMP；而在肉毒梭菌中，則編碼SAM裂解酶，將SAM-AMP降解為5′-甲基硫代腺苷（MTA）-AMP和高絲氨酸內酯。

模式機理圖（圖片源自NatureChemicalBiology）

既往對III型CRISPR-Cas效應復合物的研究深化了作者對效應復合物降解靶RNA、合成cOA及切割ssDNA機制的理解。特別是對冰島硫化葉菌III-B型效應復合物的結構研究表明，靶RNA結合會誘導效應復合物發(fā)生整體構象變化，以6核苷酸為間隔單位切割靶RNA。非自身靶RNA的3′反標簽序列可誘導Cmr3亞基的莖環(huán)結構在伸展與收縮構象間波動，從而激活Cmr2亞基進行cOA合成與ssDNA降解。然而，脆弱擬桿菌III-B型效應復合物如何識別并切割靶RNA、非自身靶RNA如何激活Cmr2亞基合成SAM-AMP，以及為何Cmr2亞基合成SAM-AMP而非cOA，這些問題尚未闡明。

本研究通過冷凍電鏡技術解析了脆弱擬桿菌效應復合物在未結合狀態(tài)、自身及非自身靶RNA結合狀態(tài)下的結構。結構顯示靶RNA結合同樣會誘導該效應復合物發(fā)生整體構象變化，并以6核苷酸間隔觸發(fā)靶RNA切割。出乎意料的是，Cmr3亞基的莖環(huán)僅呈現伸展構象且不參與Cmr2亞基的激活。非自身靶RNA的3′反標簽序列會誘導Cmr2亞基產生額外構象變化，使ATP、Mn2?及活性位點殘基更靠近SAM，從而激活Cmr2亞基合成SAM-AMP。這表明脆弱擬桿菌效應復合物采用新機制激活Cmr2亞基。Cmr2亞基活性中心的數個關鍵殘基通過促進SAM與ATP的結合，特異性驅動SAM-AMP而非cOA的合成。此外，作者解析了NrN、SAM裂解酶及其與SAM-AMP類似物復合物的晶體結構，闡明了這些酶特異性識別與降解SAM-AMP的分子機制。

https://www.nature.com/articles/s41589-025-02075-z