原核生物已经进化出多种防御病毒感染的策略，例如通过CRISPR-Cas系统降解外源核酸和通过核苷酸池耗尽抑制DNA/RNA合成。
2024年12月12日，中国药科大学肖易倍、陈美容、陆美玲共同通讯
在
Science
在线发表题为
“
Antiviral signaling of a type III CRISPR-associated deaminase
”
的研究论文，
该研究揭示了
III型CRISPR相关脱氨酶的抗病毒信号
。
研究人员报道了III型CRISPR-Cas调控的ATP耗竭的抗病毒机制，其中ATP在被cA
4
或cA
6
激活后被CRISPR-Cas相关的腺苷脱氨酶（CAAD）转化为ITP，随后被Nudix水解酶水解为IMP，最终导致细胞生长停滞。载脂蛋白CAAD和活化CAAD的冷冻电镜结构，以及生化证据，揭示了
cA
4
或cA
6
如何结合到CARF结构域并消除CAAD的自抑制作用，诱导大量构象变化，重塑CAAD的结构并诱导其脱氨酶活。
该研究结果揭示了CRISPR-Cas调控的ATP耗尽抗病毒策略的机制。
细菌和古细菌采用多种防御系统来保护自己免受核酸入侵。利用CRISPR RNA（crRNAs）进行互补导向的核酸切割的聚集规律间隔短回文重复序列和相关蛋白（CRISPR-Cas）系统赋予独特的适应性免疫。
CRISPR-Cas系统可分为六种类型，其中，III型CRISPR-Cas通过多方面的免疫反应显示出最复杂的防御机制。它通过
crRNAs
引导的核糖核酸酶活性靶向病毒RNA转录物。然后激活DNA酶活性，在转录过程中降解病毒DNA。
这种防御系统通过ATP合成环寡腺苷酸（cOA）来激活辅助效应蛋白，从而导致感染细胞死亡或休眠，称为流产感染，从而导致病毒清除。
Bacteroides fragilis
III型CRISPR-Cas系统产生S-腺苷蛋氨酸(SAM)-单磷酸腺苷（AMP）而不是辅酶A。
在CRISPR-Cas位点附近编码的辅助效应蛋白通常由coassensing结构域组成，主要是
CRISPR
相关的Rossmann折叠（CARF）或SMODS相关并融合到各种效应结构域（SAVED）。迄今为止，研究最充分的CARF相关效应蛋白主要靶向RNA或DNA。其他效应物包括蛋白酶、转录因子和膜蛋白。最近，对入侵核酸的繁殖和宿主的生长都至关重要的核苷酸库已被确定为细菌免疫系统的共同目标。
在噬菌体感染的反应中，细菌利用各种策略来修饰核苷酸，包括脱氨酶、三磷酸酶、脱水酶和磷酸化酶来保护自己免受噬菌体感染。然而，上述免疫系统如何感知噬菌体感染及其具体的激活机制尚不清楚。
机理模式图（图源自
Science
）
在这里，研究人员描述了III型
CRISPR-Cas
相关脱氨酶的抗病毒信号。活化的Cmr/Csm产生cOA刺激CAAD将ATP转化为ITP。
Nudix水解酶随后将ITP转化为IMP。ATP耗尽最终导致细胞生长停滞。
功能和结构分析揭示了CAAD激活的机制：六聚体CAAD通常通过脱氨酶活性位点的不稳定被灵活的CARF结构域自动抑制。
cA
4
/cA
6
结合后，CARF结构域收紧并旋转60°，从而引发CAAD的深刻构象变化，通过重新定位ATP识别和脱氨的关键催化元件，重塑脱氨酶结构域的活性位点。
总体而言，该研究发现了CRISPR核酸免疫系统中一条全新的核苷代谢-免疫调控-抗病毒通路，拓展了对III型CRISPR系统抗病毒免疫的机制的理解和认识。对效应蛋白CAAD脱氨酶作用机制的阐明为改造利用该免疫机制奠定了理论基础。
肖易倍、陈美容、陆美玲为该论文的通讯作者。中国药科大学博士研究生李钰涛、博士后李兆星、硕士研究生闫朴睿、华晨扬、孔健平为该论文的共同第一作者。新加坡国立大学胡纯一教授、中国药科大学陈依军教授、杨鹏教授、纪顺利教授、赵玉成教授、湖南中医药大学李顺祥教授、南京财经大学李光磊博士对本课题做出重要贡献。中国药科大学硕士研究生吴宛倩和崔钰瑢，湖南中医药大学博士研究生段彦亦参与了本课题研究。
参考消息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr0393
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