复旦大学赵宝玉/陈振国合作最新Nature子刊

当识别非自身靶RNA时，CorA关联的III-B型CRISPR-Cas系统催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）和ATP合成SAM-AMP，进而激活效应蛋白CorA并引发免疫应答。SAM-AMP可被NrN和SAM裂解酶降解，从而可能使系统失活。

2025年11月21日，复旦大学赵宝玉和陈振国共同通讯在NatureChemicalBiology在线发表题为“Molecular basis of SAM-AMP synthesis and degradation in the type III-B CRISPR–Cas system”的研究论文。该研究发现，源自脆弱拟杆菌的III-B型效应复合物通过特异性机制识别非自身靶RNA并合成SAM-AMP。

非自身靶RNA的3′反标签序列诱导Cmr2亚基发生构象变化，在不依赖Cmr3亚基茎环结构的情况下触发SAM-AMP的合成。SAM-AMP的结合促使NrN从开放构象转变为闭合构象，从而激活其3′–5′磷酸二酯键水解功能。SAM裂解酶形成三角状三聚体，可特异性将SAM-AMP降解为5′-甲基硫代腺苷-AMP和高丝氨酸内酯。这些发现揭示了SAM-AMP合成与降解的独特机制，为深入理解III型CRISPR-Cas信号转导的分子基础提供了新见解。

噬菌体是地球上数量最丰富、多样性最高的生物实体。噬菌体捕食的持续威胁驱动了多种细菌防御系统的演化，这些系统能够限制噬菌体的感染与复制。CRISPR-Cas系统是一种RNA引导的适应性免疫系统，存在于大多数古菌和许多细菌中。CRISPR是一种独特的DNA序列，可被转录并加工为成熟的CRISPR RNA（crRNA）。crRNA与Cas蛋白结合形成效应复合物，通过识别同源噬菌体或质粒的核酸触发免疫应答。

CRISPR-Cas系统可分为两个类别、七种类型（I–VII）及众多亚型。其中，III型因其标志性亚基Cas10蛋白（属于DNA聚合酶/RNA环化酶超家族）而被视为最古老的CRISPR-Cas系统。III型CRISPR-Cas系统可进一步分为六个亚型：四个经典亚型（III-A至III-D）和两个非经典亚型（III-E与III-F）。III-A和III-D型的效应复合物由五种Csm蛋白（Csm1–Csm5）组成，而III-B和III-C型则由六种Cmr蛋白（Cmr1–Cmr6）构成。Csm与Cmr复合物中的Cas10蛋白分别称为Csm1和Cmr2。当识别非自身靶RNA后，经典III型效应复合物被激活，可降解靶RNA、催化ATP合成环寡腺苷酸（cOA）并降解单链DNA（ssDNA）。cOA作为第二信使，可结合特定效应蛋白进而引发免疫应答。

近期研究发现，一种与CorA蛋白紧密相关的新型III-B型CRISPR-Cas系统广泛存在于噬纤维菌-拟杆菌-黄杆菌门细菌中。当脆弱拟杆菌的III-B型效应复合物感知非自身靶RNA后，会降解靶RNA并催化S-腺苷甲硫氨酸（SAM）与ATP合成SAM-AMP。SAM-AMP作为第二信使可激活效应蛋白CorA（推测为二价阳离子转运蛋白），可能通过破坏细胞膜完整性或开启跨膜通道改变细胞内二价阳离子稳态，导致细胞休眠或死亡。值得注意的是，含CorA的III-B型CRISPR-Cas基因座常携带编码降解SAM-AMP酶的基因，可能用于终止CRISPR-Cas系统的活性。在脆弱拟杆菌中，该基因座编码DHH家族磷酸二酯酶NrN，可将SAM-AMP降解为SAM与AMP；而在肉毒梭菌中，则编码SAM裂解酶，将SAM-AMP降解为5′-甲基硫代腺苷（MTA）-AMP和高丝氨酸内酯。

模式机理图（图片源自NatureChemicalBiology）

既往对III型CRISPR-Cas效应复合物的研究深化了作者对效应复合物降解靶RNA、合成cOA及切割ssDNA机制的理解。特别是对冰岛硫化叶菌III-B型效应复合物的结构研究表明，靶RNA结合会诱导效应复合物发生整体构象变化，以6核苷酸为间隔单位切割靶RNA。非自身靶RNA的3′反标签序列可诱导Cmr3亚基的茎环结构在伸展与收缩构象间波动，从而激活Cmr2亚基进行cOA合成与ssDNA降解。然而，脆弱拟杆菌III-B型效应复合物如何识别并切割靶RNA、非自身靶RNA如何激活Cmr2亚基合成SAM-AMP，以及为何Cmr2亚基合成SAM-AMP而非cOA，这些问题尚未阐明。

本研究通过冷冻电镜技术解析了脆弱拟杆菌效应复合物在未结合状态、自身及非自身靶RNA结合状态下的结构。结构显示靶RNA结合同样会诱导该效应复合物发生整体构象变化，并以6核苷酸间隔触发靶RNA切割。出乎意料的是，Cmr3亚基的茎环仅呈现伸展构象且不参与Cmr2亚基的激活。非自身靶RNA的3′反标签序列会诱导Cmr2亚基产生额外构象变化，使ATP、Mn²⁺及活性位点残基更靠近SAM，从而激活Cmr2亚基合成SAM-AMP。这表明脆弱拟杆菌效应复合物采用新机制激活Cmr2亚基。Cmr2亚基活性中心的数个关键残基通过促进SAM与ATP的结合，特异性驱动SAM-AMP而非cOA的合成。此外，作者解析了NrN、SAM裂解酶及其与SAM-AMP类似物复合物的晶体结构，阐明了这些酶特异性识别与降解SAM-AMP的分子机制。

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