iNature 文

2022年11月3日，麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队在Science 在线发表题为「RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase」的研究论文，该研究证明了这种CRISPR相关蛋白酶(CASP)显示可编程RNA激活的内肽酶活性对抗sigma因子抑制剂，以调节转录反应。

冷冻电子显微镜对活性和底物结合CASP复合体的观察揭示了一种变构激活机制，该机制在目标RNA结合时重组Csx29催化残基。这项工作揭示了自然界中RNA引导的功能，可以在体外和人类细胞中利用RNA感知应用。

2022年10月12日，麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队在Nature 杂志在线发表题为「Structure of the OMEGA nickase IsrB in complex with ωRNA and target DNA」的研究论文，该研究报道了脱硫弧菌IsrB (Desulfovirgula thermocuniculi IsrB, DtIsrB) 与其同源的ωRNA和靶DNA的复合体的冷冻电镜 (Cryogenic electron microscopy, cryo-EM) 结构。研究发现IsrB蛋白的整体结构与Cas9共享一个支架。然而，与Cas9使用识别 (recognition, REC) 部分来促进目标选择不同，IsrB依赖于它的ωRNA，其中一部分形成了一个复杂的三元结构，定位类似于REC。总之，通过对IsrB及其ωRNA的结构分析，以及与其他RNA引导系统的比较，突出了蛋白质和RNA之间的功能相互作用，促进了我们对这些不同系统的生物学和进化的理解。

2022年8月12日，麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所张锋团队在Science 在线发表题为「Prokaryotic innate immunity through pattern recognition of conserved viral proteins」的研究论文，该研究展示了细菌和古生菌中的抗病毒 STAND (Avs) 同源物检测标志性病毒蛋白，触发 Avs 四聚化和激活包括 DNA 核酸内切酶在内的多种 N 末端效应结构域以消除感染。 冷冻电子显微镜显示 Avs 感应器结构域识别保守折叠、活性位点残基和酶配体，允许单个 Avs 受体检测多种病毒。 这些发现将病原体特异性蛋白质的模式识别范式扩展到生命王国的所有三个领域。

原核生物拥有大量防御外来遗传元素的系统，包括聚类规则间隔短回文重复序列(CRISPR)和CRISPR相关蛋白(Cas)系统。虽然CRISPR- Cas系统的主要功能是通过RNA引导的DNA或RNA核酸酶活性提供适应性免疫，但已经鉴定出与CRISPR基因座相关的其他蛋白质。一个例子是CRISPR相关转座酶(CAST)系统，它执行RNA引导的DNA插入，通过核酸酶不活跃的CRISPR效应子引导Tn7样移动遗传元素到特定的DNA序列。

CAST系统至少在三种不同的情况下进化，突出了不同的CRISPR效应子获得或被其他细菌酶获得的能力。除了CAST系统，与CRISPR-Cas系统基因相关的其他功能也开始出现，而且更有可能有待发现和表征。

III-E型CRISPR相关蛋白酶Csx29裂解Csx30 | 图源：Science

先前的工作已经发现了几种RNA靶向III型CRISPR相关蛋白酶(CASP)系统，包括一种Lon蛋白酶，它响应环寡腺苷酸第二信使(cA4)来切割CRISPR-T蛋白。最近发现的III-E亚型效应子Cas7-11(也称为gRAMP)同样与一种蛋白酶有关，该蛋白酶是一种含有四肽重复的CHAT家族成员(TPR-CHAT，或Csx29)。

Csx29在RNA结合时的变构活化 | 图源：Science

与由多亚基Csm/Cmr复合体组成的原型III型CRISPR系统相比，Cas7-11效应子包含自然融合的Cas7和Cas11结构域。CHAT蛋白酶家族成员含有催化半胱氨酸残基，包括参与程序性细胞死亡的真核Caspase， Cas7-11- csx29先前被假设为细菌Caspase并支持病毒免疫。值得注意的是，Candidatus Scalindua brodae 中的Cas7-11和Csx29被证明可以形成稳定的蛋白质复合体，但相关蛋白酶的底物和功能尚不清楚。

RNA感应在CASP系统中的应用及提出的模型 | 图源：Science

在这里，该研究从海洋厌氧菌Desulfonema ishimotonii 中确定了III-E型CRISPR相关蛋白酶(CASP)的蛋白底物、结构和机制，揭示了它在协调对外来遗传物质的转录反应中的自然功能，并在体外和人类细胞中设计了新的RNA感知应用。

论文链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.add7450

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05324-6

[3]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm4096

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