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该研究阐明了III型CRISPR系统通过生成环化腺苷第二信使激活下游效应脱氨酶来耗竭ATP,从而实现免疫的分子机制。该团队前期通过生物信息学分析挖掘到一类III型CRISPR-Cas下游缺失了广泛分布的核酸酶模块,取而代之的是一个融合了第二信使识别结构域的脱氨酶CAAD(CRISPR-Cas-associated adenosine deaminase),以及一个可能降解核苷的水解酶NH(Nudix Hydrolase)。表明该类系统的作用机制可能完全不同于已知的通过切割核酸实现免疫的CRISPR-Cas系统。鉴于合成环化核苷酸第二信使和腺苷脱氨分别在人源核酸免疫系统cGAS-STING和ADAR中存在,研究团队大胆推测这类系统很可能是通过核苷酸代谢来实现其免疫效应。
通过体外重组,团队首先成功纯化得到了该系统中负责识别外源核酸的Cmr复合物。接下来利用MALDI-TOF技术证明该效应复合物通过互补配对识别外源核酸后,会利用ATP生成cA3/cA4/cA6三种环化腺苷,这三种环化腺苷也可能作为第二信使激活下游的效应蛋白。为了确认第二信使,该团队测定了不同环化腺苷对CAAD脱氨酶的亲和力,发现cA4和cA6均与CAAD有着极高的亲和力,而cA3几乎不会和CAAD结合。虽然之前报道过某些III型CRISPR-Cas的下游效应蛋白可以结合两种不同的环化腺苷,但往往只有一种特定的环化腺苷能激动其活性。出乎意料的是,生化分析表明在该系统中,cA4和cA6均能高效激活CAAD的脱氨酶活性,并特异性地将ATP转化成ITP。ITP的蓄积往往会导致较强的细胞毒性,进一步的生化实验证明CAAD下游的NH酶可特异性地将ITP降解成IMP,发挥解毒功能。该团队接下来通过体内实验验证了该类III型CRISPR-Cas系统在Cmr复合物以及CAAD-NH的协同作用下,可以抑制被外源核酸侵扰细菌的生长,达到群体免疫的作用。