Cell Rep | 佘群新/冯旭/韩文元团队揭示I-A型CRISPR-Cas系统“招募激活”新机制

CRISPR-Ca s 系统是原核生物抵 御外源核酸入侵的适应性免疫系统， 基于该系统开发的基因编辑技术已成为当今生命科学领域的核心工具 。 在众多 CRISPR 亚型中， I 型系统是自然界分布最广泛的 DNA 靶向免疫系统，然而其复杂的组分构成长期阻碍了对其工作机制的深入解析。特别是 I-A 亚型，不仅拥有最丰富的 Cas 蛋白组分，其负责 DNA 切割的 Cas3 蛋白更已演化为两个独立亚基，分子作用机制此前一直未能被系统完整阐明。

近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室佘群新教授 /冯旭研究员团队与华中农业大学韩文元教授 团队合作，在Cell Reports发表 了 题为Recruitment of Cas3 enables DNA cleavage by the type I-A CRISPR-Cassystem ofSaccharolobusislandicus的研究论文。该研究以冰岛硫化叶菌为研究对象，系统解析了I-A型CRISPR免疫系统的多层级活性调控机制，提出了“靶标依赖的Cas3招募激活”新模型，并阐明了ATP分子在CRISPR免疫激活与防止自身免疫损伤中的双向功能，为CRISPR基因编辑技术的精准优化及微生物–病毒互作机制的理解提供了重要理论依据。

研究团队首先从冰岛硫化叶菌（ Saccharolobus islandicus ）中成功分离纯化出内源性 Cascade 复合物（ CRISPR-associated complex for antiviral defense ）， 并以此为切入点开展系统解析 。研究发现，在无靶标状态下， Cascade 复合物天然缺乏 Cas6 （ CRISPR RNA 加工酶）与 Cas3 核酸酶；只有当 Cascade 识别靶标 DNA 后，才会招募 Cas3 ，进而触发其 ATP 酶活性、解旋酶活性及对靶标 DNA 的持续性切割能力。值得注意的是， Cas3 的两个亚基必须共同表达才能形成稳定复合物，提示宿主可能存在额外的 Cas3 稳定性调控层级。该机制与 I-B 、 I-C 、 I-E 及 I-F 等亚型的效应蛋白激活逻辑高度一致，表明 “ 靶标识别后招募 Cas3” 可能是 I 型 CRISPR 系统普遍采用的激活策略。

与本研究发现的 “ 诱导招募 ” 模式不同，已报道的激烈火球菌（ Pyrococcus furiosus ） I-A 系统 则 采用 “ 预结合 - 去抑制 ” 的策略，即 Cas3 始终与 Cascade 预先结合，仅在靶标识别后才解除自身抑制（ Hu et al., Mol. Cell, 2022 ）。进化分析进一步表明，这两类系统中负责与 Cas3 互作的 Cas8 蛋白位于系统发育树的不同分支，提示即使在相同的 CRISPR 亚型内部，不同菌株也已演化出多样化的免疫激活策略。

Cas3 属于非特异性核酸酶，一旦失控即可能无差别切割宿主基因组，导致自身免疫损伤，因此其活性必然受到严密调控 。本研究 在发现 Cas 3 招募激活的基础上，还 揭示了 ATP 对 Cas 3 活性 的双向精准调控机制，解释了 I-A 系统高效防御与自我保护的平衡逻辑。生理浓度下的 ATP 具备双重调控功能： 一方面， ATP 特异性促进 Cas3 对靶标 DNA 的持续性切割，保障宿主高效清除入侵外源基因；另一方面， ATP 抑制 Cas3 激活后的非特异性单链切割活性 （ 旁切活性 ） ，并抑制 游离 Cas3 蛋白的本底核酸酶活性，从而在确保病毒 DNA 精准切割的同时，最大限度降低 自免疫 风险 。这些研究结果 为未来 CRISPR 工具的活性精细调控提供了全新设计思路。

综上，该研究系统阐明了 I-A 型 CRISPR 系统的全新调控机制， 多维度揭示了 CRISPR 系统在演化过程中形成的 精细 调控策略。这些发现不仅深化了我们对 CRISPR 系统演化与微生物病毒防御机制的理解，也为下一代 CRISPR 基因编辑技术的精准化、安全性优化提供了明确的设计蓝图。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2026.117820

制版人：十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘