韩文元团队鉴定新型CRISPR信号分子降解酶

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CRISPR-cas系统是原核生物用来抵御外来遗传元件入侵的获得性免疫系统。其中，III型 CRISPR-cas系统具有多种免疫活性，其效应复合物能够：(1) 切割crRNA匹配的靶标RNA；(2) 在结合靶标RNA时，切割转录泡周围的ssDNA；(3) 在结合靶标RNA时，合成第二信使——环寡聚腺苷酸（cOA）；cOA能够结合下游效应物Csm6/Csx1，并激活后者高效切割非特异性ssRNA【1,2】。此时不仅入侵核酸元件的转录本会受到降解，宿主转录本也会被切割，从而引起细胞休眠。III型系统所激活的核糖核酸酶活性需要受到严格的控制，否则会导致非预期的细胞毒性甚至细胞死亡。
2018年，英国White课题组发现一种含有CARF结构域、被称为环核酸酶的蛋白质能够以不依赖金属离子的方式切割cOA，并可能参与调控III型系统的免疫活性【3】。然而，环核酸酶的活性不足以降解高浓度的cOA，而III型系统的效应复合物恰恰具有高效的cOA合成能力【4】。这矛盾之处暗示存在未知因素参与III型系统免疫活性的调控。
2020年9月15日，华中农业大学韩文元课题组在Cell Reports杂志发表了标题为“A membrane-associated DHH-DHHA1 nuclease degrades type III CRISPR second messenger”的研究成果。该研究发现了降解cOA的新型核酸酶。该酶可能参与调控III型系统的免疫活性，避免持续的免疫响应对细胞造成损害。

本文作者首先从冰岛硫化叶菌的细胞提取物中鉴定出了金属离子依赖的、细胞膜关联的cOA降解活性，并发现在高cOA浓度下，金属依赖的cOA降解活性显著提高了清除cOA的效率。随后，作者分离得到了金属离子依赖的DHH-DHHA1家族核酸酶（MAD），并对其进行了一系列体内、体外研究。结果表明MAD具有三个特点：（1）具有极高的cOA降解能力；（2）结合在细胞膜上；（3）具有非特异性的DNA和RNA降解活性。
图1. 膜关联DHH-DHHA1核酸酶（MAD）参与调控III型系统免疫活性的工作模型
根据这些特点，作者提出了MAD的工作模型。病毒入侵引发III型CRISPR-cas系统的免疫响应，即通过合成cOA激发Csx1的核酸酶活性。在cOA水平较低时，cOA主要由环核酸酶降解，而MAD的膜关联的特点会限制其对新生cOA的降解，从而避免过早关闭免疫响应；当cOA的浓度超过环核酸酶的降解能力时，扩散到细胞膜周围的cOA会被MAD快速降解，从而避免免疫响应持续太长时间对细胞造成损害。这些发现表明“聪明”的微生物能够复杂、精准地调控免疫响应，从而应对不同病毒入侵的情况，在与病毒的战争中存活。
华中农业大学生命科学技术学院硕士研究生赵瑞亮和杨洋为共同第一作者，韩文元教授为该研究的通讯作者。