發現絲狀結構可活化和調節 CRISPR-Cas“蛋白質剪刀”

CRISPR-Cas 系統有助於保護細菌免受病毒侵害。細菌中發現了幾種不同類型的 CRISPR-Cas 防禦系統，它們的組成和功能各不相同。其中，當今研究最多的蛋白質是Cas9和Cas12，也被稱為DNA或“基因剪刀”，它們徹底改變了基因組編輯領域，使科學家能夠精確編輯基因組並糾正致病突變。

維爾紐斯大學生命科學中心生物技術研究所的研究人員 Dalia Smalakytė、Audronė Rukšėnaitė、Giedrius Sasnauskas 博士、Giedrė Tamulaitienė 博士和 Gintautas Tamulaitis 博士揭示了 CRISPR-Cas 蛋白剪刀的結構細菌並提供了它們如何發揮作用的機制細節。他們的研究結果是發表在分子細胞。

Tamulaitis 博士領導的研究小組正在研究細菌防禦系統CRISPR-Cas10，充當感測器。當病毒攻擊細菌時，它會透過合成稱為環狀寡腺苷酸的獨特訊號分子來發送「訊息」。

這些訊號分子被不同的，即係統中增強細菌防禦病毒的輔助蛋白。最近的一項計算分析預測，CRISPR-Cas10 效應物可能具有多種酶活性，使細菌能夠以多種方式防禦病毒。

「環狀寡腺苷酸的發現和對CRISPR-Cas10 機制的理解引發了極大的科學興趣，並在訊號路徑研究方面取得了突破。最近，在其他細菌防禦系統中也發現了類似的保護原理：CBASS、Pycsar 和Thoris在這項研究中，我們研究了由CRISPR-Cas10 信號分子激活的三重CalpL-CalpT-CalpS 效應子，並解釋了這個複雜系統的工作原理及其調節方式，」Tamulaitis 博士解釋道。

CalpL-CalpT-CalpS 效應子由三個關鍵蛋白組成：CalpL，作為訊號辨識蛋白剪刀； CalpS，一種調節蛋白質;和 CalpT，一種 CalpS 蛋白的抑制劑。研究人員結合使用生化、生物物理、細菌存活率測定和低溫電子顯微鏡 (cryo-EM) 來研究該系統。他們發現，當 CalpL 與發出病毒感染訊號的分子結合時，它會形成成分可變的聚合絲。

絲狀結構允許 CalpT-CalpS 異二聚體附著，將剪刀 CalpL 的活性中心定位在抑制劑 CalpT 附近並使其能夠切割。一旦 CalpT 被分裂，CalpS 就會從異二聚體中釋放出來，並可以調節基因表現以保護細菌免受病毒感染。

作者之一 Dalia Smalakytė 指出，CRISPR-Cas 蛋白剪刀的活性受到時間上的嚴格調控。蛋白質剪刀具有內部定時器機制，在訊號分子結合和絲形成時啟動。與其他類似的訊號感測效應蛋白相比，這種機制是獨特的。

新發現的CRISPR-Cas10系統機制說明了細菌防禦系統的複雜性。這些研究為受調控的 CRISPR-Cas 蛋白剪刀作為感染分子指標的實際應用鋪平了道路。