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为探究 III 型 CRISPR-Cas 与腺苷脱氨酶如何协同抗病毒，研究人员开展了对 III 型 CRISPR-CAAD 系统的研究，发现其通过消耗 ATP 抑制病毒传播。该研究揭示了新抗病毒机制，对开发碱基编辑器及 ATP 调控意义重大，值得一读。
编辑总结
三磷酸腺苷（ATP）对所有生命领域都至关重要，其核心作用使其成为抗病毒防御的理想靶点。李等人描述了一种由 III 型 CRISPR-Cas 相关腺苷脱氨酶（CAAD）和一种 Nudix 水解酶介导的免疫策略，该策略在检测到核酸时消耗 ATP。通过冷冻电镜结构和生化分析，作者发现 III 型 CRISPR-Cas 产生的环寡腺苷酸第二信使激活 CAAD，使其特异性地对 ATP 进行脱氨。这些发现揭示了 CRISPR-Cas 调节 ATP 消耗策略作为抗病毒防御的机制。—— 蒋迪
结构化摘要
引言
III 型 CRISPR-Cas 通过产生环寡腺苷酸（cOA）分子提供针对外来核酸的免疫保护，这些分子别构激活辅助效应物，从而导致病毒清除或细胞休眠。这些效应蛋白通常带有一个 CRISPR 相关的罗斯曼折叠（CARF）传感结构域，该结构域通常与各种效应结构域融合。迄今为止表征的大多数 CARF 效应物是核酸酶、蛋白酶或跨膜蛋白。一组与 III 型 CRISPR-Cas 融合的腺苷脱氨酶频繁出现，这就引发了一个问题，即 CRISPR-Cas 和腺苷脱氨酶是否以及如何协同对抗感染。
研究依据
最近的研究表明，酶促消耗核苷酸库是一种有效的抗病毒策略。因此，我们假设 III 型 CRISPR-Cas 相关腺苷脱氨酶（CAADs）在识别外来核酸后可被新合成的 cOAs 激活。因此，通过腺苷脱氨可能实现核苷酸消耗，最终导致宿主生长停滞，从而防止病毒传播。为了对此进行研究，我们试图利用生化和结构学方法阐明 CAAD 的活性和功能，进而揭示其激活机制。实验结果可能揭示 III 型 CRISPR-Cas 通过核苷酸消耗介导的抗病毒策略的功能和分子机制。
结果
通过生物信息学分析，我们鉴定出 121 个 III 型 CRISPR-CAAD 系统，其中 44 个还编码一种 Nudix 水解酶（NH），该酶通常切割核苷二磷酸。以来自Limisphaera ngatamarikiensis的 III 型 CRISPR-CAAD-NH 系统为研究重点，我们对其抗病毒信号通路进行了生化重建，发现 CAAD 可被 cA?或 cA?激活，特异性地将三磷酸腺苷（ATP）转化为三磷酸肌苷（ITP），随后 NH 将 ITP 水解为一磷酸肌苷（IMP）。通过评估其在大肠杆菌中对遗传威胁的免疫作用，我们证实，靶转录本表达时 CAAD 的激活会导致宿主细胞的 ATP 消耗和生长停滞，而 NH 可减轻这种情况。此外，利用冷冻电镜（cryo-EM），我们测定了 CAAD 的 apo 形式、cA?结合形式和 cA?结合形式的高分辨率结构。六聚体 CAAD 由二聚体的三聚体组成，每个 CARF 二聚体能够容纳一个 cA?或 cA?分子。结合生化分析，我们的研究表明，CAAD 的激活需要形成六聚体，并且六聚体 CAAD 以一种独特的相邻链依赖方式协同激活。在 apo 形式下，C 端脱氨酶结构域被 N 端灵活的 CARF 结构域通过破坏脱氨酶活性位点的稳定性而自抑制。cA?或 cA?的结合使 CARF 结构域收紧并旋转，触发脱氨酶结构域发生显著的构象变化，重新定向关键的催化元件以识别和脱氨 ATP。
结论
我们的结果阐明了 III 型 CRISPR 系统介导的抗病毒信号通路的功能和机制。cOAs 激活的 CAAD 将 ATP 脱氨为 ITP，NH 将 ITP 水解为 IMP，导致 ATP 消耗，进而诱导细胞生长停滞并抑制病毒繁殖。尽管 ITP 水解可以减轻 ITP 积累引起的细胞毒性，并且 CAAD 可以切割 cA?，但使宿主细胞在生长停滞之后能够增殖的关闭机制仍不清楚。尽管如此，对 CAAD 激活的深入理解可能为可控碱基编辑器的开发提供思路，并且有可能被重新用于可编程和动态的 ATP 调节。
图注：III 型 CRISPR-CAAD-NH 系统介导的抗病毒防御模型。在病毒感染时，被激活的 III 型 CRISPR-Cas 产生的 cA?或 cA?与 CARF 结构域结合，激活 CAAD 的脱氨酶活性，将 ATP 转化为 ITP。ATP 消耗和 ITP 积累导致细胞生长停滞和病毒繁殖抑制。共存的 Nudix 水解酶（NUDIX）可以将 ITP 水解为 IMP，从而缓解生长停滞。
摘要
原核生物已经进化出多种对抗病毒感染的防御策略，包括通过 CRISPR-Cas 系统降解外来核酸，以及通过消耗核苷酸库抑制 DNA 和 RNA 合成。在这里，我们报告了一种 III 型 CRISPR-Cas 调节的三磷酸腺苷（ATP）消耗的抗病毒机制，即 CRISPR-Cas 相关腺苷脱氨酶（CAAD）在被 cA?或 cA?激活后，将 ATP 转化为三磷酸肌苷（ITP），随后被 Nudix 水解酶水解为一磷酸肌苷（IMP），最终导致细胞生长停滞。CAAD 的 apo 形式和激活形式的冷冻电镜结构，结合生化证据，揭示了 cA?或 cA?如何与 CRISPR 相关的罗斯曼折叠（CARF）结构域结合并解除 CAAD 的自抑制，诱导显著的构象变化，重塑 CAAD 的结构并诱导其脱氨酶活性。我们的结果揭示了 CRISPR-Cas 调节的 ATP 消耗抗病毒策略的机制。
