Nature：通过ATP和SAM结合的抗病毒III型CRISPR信号转导

论文ID

题目：Antiviral type III CRISPR signalling via conjugation of ATP and SAM

期刊：Nature

IF：69.504

发表时间：2023年10月18日

通讯作者单位：圣安德鲁斯大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06620-5

主要内容：

细胞使用专门的核苷酸信号来激活防御。一项细菌研究揭示了一类以前未知的信号，这些信号是由连接ATP和S-腺苷甲硫氨酸分子形成的。

细菌、植物和动物细胞已经进化出多种复杂的防御途径来检测和抑制病毒复制。许多这些途径的一个共同特征是由核苷酸底物制成的分子（称为化学信使）的产生，这些分子的功能是放大和激活免疫反应。作者描述了一种细菌防御系统，该系统使用一种以前未知的称为SAM-AMP的化学信使，当S-腺苷甲硫氨酸（SAM）分子与核苷酸ATP连接时形成。这一发现揭示了一类新的信号分子，并扩展了抗病毒免疫的化学“语言”，包括代谢物和细胞辅因子等分子的丰富“词汇”。

使用专门的核苷酸信号是抗病毒防御的一个古老且进化保守的特征。例如，人类细胞和细菌各自连接ATP和GTP核苷酸底物，以合成一种称为环状GMP-AMP（cGAMP）的分子，该分子充当控制对病毒感染反应的信号。在人类中，cGAMP 是 cGAS-STING 通路的一部分负责抗病毒和抗肿瘤免疫。在细菌中，cGAMP负责蛋白质的激活，蛋白质通常包括一种称为核酸酶的酶，可降解核酸，从而阻止病毒传播。免疫信号传导中一个常见的新兴主题是，特化的核苷酸信号是细菌、植物和动物防御中众多通路的核心（图1）。这些系统中的信号在核苷酸组成和化学键上可能有所不同。然而，这些信号的一个常数是，它们都是从细胞核苷酸底物的共同池中合成的，即分子ATP，CTP，GTP或UTP。    

Chi等人研究了脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis），开始了他们的分析，鉴定了III型CRISPR细菌防御系统的一个独特亚组，该系统可以保护细胞免受外来核酸的侵害。III型CRISPR系统是细菌适应性免疫通路，可识别病毒感染和质粒偶联事件（涉及入侵外源环状DNA）期间存在的入侵核酸。为了响应外来核酸，III型CRISPR系统激活Cas10酶以产生环核苷酸信号，该信号由三到六个腺苷核苷酸组成，该信号引导称为核酸酶的酶降解靶DNA或RNA分子。与先前表征的III型CRISPR系统不同，作者描述了一组编码两种额外蛋白质的系统：CorA，这是由Chi等人预测的。是离子通道，NrN，作者预测它是一种称为磷酸二酯酶的酶。作者设计了细菌大肠杆菌来表达这些不同的III型CRISPR系统的完整版本，并观察到CorA和NrN对于外来核酸的免疫力至关重要。

所有先前表征的 CRISPR Cas10 酶都使用底物 ATP 合成环状核苷酸信号并控制下游免疫激活。令人惊讶的是，Chi 等人观察到，单独的 ATP 不足以支持 CorA 相关 Cas10 酶的活性，并且这些 Cas10 变体需要体内存在额外的辅因子。通过对从含有活性Cas10的细胞中提取的材料进行分析和生化分析，作者发现了以前未知的信号SAM-AMP（图1）。重要的是，SAM-AMP在体外酶促合成的重建证实了Cas10直接连接SAM和ATP。

免疫核苷酸信号通常通过结合和随后激活称为效应子的下游蛋白质来发挥作用。为了测试SAM-AMP是否以类似的方式起作用，作者将该分子与来自III型CRISPR系统的纯化蛋白质混合，并观察到SAM-AMP直接与蛋白质CorA结合。Chi及其同事对CorA结构的预测表明，多种CorA蛋白可能组装在一起，以诱导细胞生长停滞，以响应入侵的核酸。

在相关实验中，SAM-AMP与NrN蛋白混合时迅速降解，这表明NrN可能作为降解SAM-AMP和调节免疫信号传导的“关闭”开关。鉴于这一发现，令人惊讶的是，NrN对于大肠杆菌对外来核酸的防御至关重要，需要进一步研究来解释SAM-AMP信号传导所涉及的全部机制。

Chi及其同事观察到SAM掺入免疫“第二信使”SAM-AMP中，提出了进一步的问题，并对核苷酸介导的免疫信号传导和抗病毒防御的研究具有令人兴奋的意义。当已经有大量基于核苷酸的免疫信号时，为什么免疫通路会演变为使用 SAM-AMP？宿主免疫系统正在与入侵者进行持续的军备竞赛。一种可能性是，SAM-AMP可能代表一种化学上独特的信号，该信号对病毒核酸酶具有抗性，这些酶通常会使基于CRISPR的免疫和相关核苷酸信号系统失活。

是否有其他系统使用SAM-AMP作为免疫信号？控制细菌和真核细胞（具有细胞核的细胞）中免疫信号传导的机制在进化上是有联系的，这表明SAM-AMP的作用可能超出CRISPR的范围，也可以控制植物和动物的防御。最后，SAM-AMP加入了细菌和植物免疫中的一种信号，称为gcADPR，该信号由分子NAD组成，是由共同核苷酸库之外的分子形成的免疫信号的一个例子。也许现在，随着SAM-AMP的发现，该领域正处于发现核苷酸之外化学多样化信号的新领域的风口浪尖，这将进一步扩展免疫语言。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06620-5  

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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