Nature | 中科院微生物所李明/密歇根大学张燕团队揭示CRISPR-Cas监管嵌入式抗噬菌体防御系统

原核生物基因组中常聚集多种抗噬菌体防御系统，但这些系统之间的协同调控机制长期不甚清楚。2026年7月23日，中国科学院微生物研究所李明研究员团队与密歇根大学张燕教授团队在《自然》杂志发表题为“CRISPR-Cas regulates expression of embedded anti-phage defence systems”的研究论文，他们发现I-C型CRISPR-Cas系统利用非典型crRNA指导Cascade复合物抑制嵌入自身基因座内部的先天免疫系统启动子，并将这种监管范式命名为CRISIS（CRISPR-supervised immune system）。 中国科学院微生物研究所特别研究助理舒宪、王锐，密歇根大学中级研究员周旭飞，以及微生物所特别研究助理程飞跃为该论文的共同第一作者，微生物所李明研究员和密歇根大学安娜堡分校张燕教授为该文章的共同通讯作者。

研究团队在分析多个菌种的I-C型CRISPR-Cas基因座时注意到，cas3与cas5c之间的间隔区经常插入Sir2-HerA、Gabija和IV型Thoeris等已知抗噬菌体系统，这些系统单独表达时能赋予大肠杆菌对T系列噬菌体或EP02SG噬菌体的明确免疫力。团队发现这些插入位点上游均存在一个保守的单一重复单元（SRU），其转录产物经Cas5c加工后形成长度约49至50个核苷酸的非典型crRNA，这些crRNA拥有11个核苷酸的5′端手柄和长短不一的3′端手柄，其间隔序列与对应防御系统启动子区域的DNA序列形成16至18个不连续碱基对，并且这些碱基对在第6和第12位点存在保守错配。随后在大肠杆菌和粘膜奈瑟菌中开展的转录报告实验显示，crRNA指导的Cascade复合物能将Sir2-HerA、Gabija和IV型Thoeris的启动子活性分别抑制48.5倍、3.8倍和8.7倍，并且这种抑制作用严格依赖于crRNA与靶序列的互补性以及Cas蛋白的存在，缺失任何一个组分都会使抑制效果消失。

研究团队通过生物信息学搜索和实验验证，在I-C型CRISPR-Cas基因座中又鉴定了六个全新的CRISIS系统（CRISIS1至CRISIS6）以及包含SNF2相关蛋白、DNA甲基转移酶、RhuM家族毒力蛋白和DEAD-box解旋酶编码基因的复合型防御簇SMRD，这些系统分别编码Sir2样NADase、AbiZ样跨膜蛋白、PHP核酸外切酶与ATP酶融合蛋白以及包含金属-β-内酰胺酶结构域的双基因模块等多样化的抗病毒功能结构域。在大肠杆菌中表达CRISIS1至CRISIS5系统能抵抗至少一种测试噬菌体的感染，其中CRISIS1（Wukong）编码的大型蛋白具有PHP核酸外切酶结构域和ATPase结构域，两个结构域同时失活后其抗噬菌体活性完全消失，CRISIS4则需要其3TM跨膜蛋白和金属-β-内酰胺酶水解酶两个亚基共同发挥作用。这些系统关联的CRISPR-Cas本身仍保留经典的适应性免疫功能，其靶向的噬菌体谱系与相邻的CRISIS系统往往互补，研究团队发现二者协同后将宿主整体抗噬菌体范围显著扩大。

在脑膜炎奈瑟菌Z5463中整合包含Sir2-HerA的完整I-C型cas操纵子后，该菌株对丝状噬菌体MDAΦ的感染率比野生型或sir2-herA缺失突变株降低约两倍，并且已感染噬菌体的清除速度显著加快，这说明处于被抑制状态的Sir2-HerA仍能提供可测量的基础抗病毒活性。当研究团队引入能抑制I-C型Cascade复合物的抗CRISPR蛋白AcrIC9后，Sir2-HerA的转录水平上调13.4倍并且MDAΦ的感染完全消失，但这种深度去抑制伴随着显著的适应性代价，Sir2-HerA的过度表达导致细胞内NAD+水平下降97%以上，脑膜炎奈瑟菌的总细胞数减少约三倍，表达AcrIC9的细胞在竞争生长实验中经四次传代后几乎从群体中消失。Wukong则表现出另一种代价形式，其过表达不抑制宿主生长但直接降解T4噬菌体和多种质粒DNA，在CRISPR-Cas被AcrIC9抑制后携带不同复制起始位点的质粒在单次传代内被完全清除，而监管状态下的细胞能稳定维持这些质粒，研究团队通过质粒清除实验确认了这一差异。

这项研究揭示原核生物中适应性免疫监管先天免疫的普遍性调控层次，CRISPR-Cas系统通过crRNA指导的转录抑制将嵌入式防御系统的活性维持在一个既能提供基础保护又不损害宿主适应性的平衡点上，当噬菌体通过编码抗CRISPR蛋白等手段逃避适应性免疫时这些先天防御系统被去抑制并转而提供更高水平的保护同时给宿主带来生长减缓或丢失有益质粒等代价，为理解原核生物免疫网络的组织原则提供了新框架。

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