新研究揭示III型CRISPR-Cas系统中的CARF效应蛋白Cat1通过降解代谢物NAD+抵御病毒感染

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Science：新研究揭示III型CRISPR-Cas系统中的CARF效应蛋白Cat1通过降解代谢物NAD+抵御病毒感染
3 a) e- d) i2 V+ X9 }1.        NAD++ m: K1 F8 D! I( t3 I$ R9 K5 V9 L
2.        Cat17 z4 G$ V/ p' P* g/ \
3.        环四腺苷酸8 `( j/ }! ^" U
来源：生物谷原创 2025-05-19 17:10) ?+ ~+ s/ N7 d7 B
在这项新的研究中，研究人员希望尝试找出更多的 CARF 效应蛋白。他们利用强大的结构同源性搜索工具 Foldseek 找到了 Cat1。' e8 s+ u2 O: [! V
地球上的每一种生物都需要保护自己免受有害物质的伤害。细菌也不例外。尽管细菌相对简单，但它们却部署了非常精明的防御策略来抵御病毒入侵者。最广为人知的是 CRISPR-Cas9，它是第一种经美国食品药品管理局（FDA）批准用于人类的基因编辑技术。
7 x  l9 Z# Z  y; }在过去的一年里，来自洛克菲勒大学细菌学实验室（由Luciano Marraffini领导）和纪念斯隆-凯特琳癌症中心结构生物学实验室（由Dinshaw Patel领导）的研究人员一直在研究一些CRISPR系统的关键免疫元件，它们被称为CARF效应蛋白（CARF effector）。这些新发现的分子武器采用了不同的方法来实现同一个目标：阻止细胞活动，从而防止病毒在细菌群体的其他部分传播。
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5 S4 ?/ E( _/ u7 W如今，在一项新的研究中，他们公布了他们发现的最新 CARF 效应蛋白，并将其命名为 Cat1。由于这种蛋白的分子结构异常复杂，它可以消耗掉一种对细胞功能至关重要的代谢物。没有了燃料，病毒入侵者的进一步攻击计划就会嘎然而止。相关研究结果发表在Science杂志上。; X% G$ r8 c7 }5 V1 k
Marraffini说，“我们实验室的集体研究工作正在揭示这些 CARF效应蛋白是多么有效、多么与众不同。它们的分子活动范围相当惊人。”
9 w+ g7 ]4 A6 p+ e- Y多重防御系统9 S- k; z  y1 b8 v
CRISPR是细菌和其他某些单细胞生物的适应性免疫系统中的一种机制，它提供了抵御病毒（称为噬菌体）的保护。六种 CRISPR 系统的工作方式大致相同： CRISPR RNA 能识别外来遗传密码，从而触发一种 Cas 酶来介导免疫反应，通常是切断入侵者的遗传物质。
+ t3 {% R/ n, a9 W  L但越来越多的证据表明，CRISPR系统除了使用基因剪刀外，还部署了多种防御策略。Marraffini实验室在这方面的研究中处于领先地位。特别是，他们一直在研究CRISPR-Cas10系统中一类称为CARF效应蛋白的分子，它们是一类在噬菌体感染细菌后被激活的蛋白。
( b, \6 C9 X4 v! x据信，CARF效应蛋白的免疫作用是为病毒复制创造一个不适宜的环境。例如，Cam1 CARF效应蛋白会导致受感染细胞的膜去极化，而Cad1则会触发一种分子熏蒸，使受感染细胞充满有毒分子。
$ L  J4 }: r, J& A代谢冻结
, a; Y# K1 h/ v* `' ^在这项新的研究中，研究人员希望尝试找出更多的 CARF 效应蛋白。他们利用强大的结构同源性搜索工具 Foldseek 找到了 Cat1。他们发现，Cat1 是通过与称为环四腺苷酸（cyclic tetra-adenylate, cA4）的次级信使分子结合来警示病毒的存在，这种信使分子会刺激Cat1裂解细胞中一种称为 NAD+ 的重要代谢物。
3 t% m5 [5 F' |4 h/ ?% m论文共同第一作者、Marraffini实验室研究生Christian Baca说，“一旦足够量的 NAD+ 被裂解，细胞就会进入生长停滞状态。由于细胞功能处于暂停状态，噬菌体无法再向细菌群体的其他部分传播和扩散。从这个角度看，Cat1 与 Cam1 和 Cad1 类似，它们都能提供群体级的细菌免疫力。”& i$ s1 g+ R. t; X" U+ N
独特的复杂性
; Z% f; u+ @0 l7 S  w3 `0 q$ n$ b- K: g尽管 Cat1 的免疫策略可能与其他 CARF 效应蛋白相似，但它的形态却并非如此，论文共同第一作者、Patel实验室博士后研究学者Puja Majumder 通过使用低温电镜（cryo-EM）进行详细的结构分析，揭示了这一点。
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Cat1同源物的系统发育分析+ b- T# b( P; ?0 Q  ]2 w
她发现，Cat1 蛋白具有令人惊讶的复杂结构，在这种结构中，Cat1 二聚体被 cA4 信号分子粘合，在病毒感染时形成长丝，并将 NAD+代谢物困在粘性的分子口袋中。Majumder 解释说，“一旦 NAD+ 代谢物被 Cat1 长丝裂解，细胞就无法使用它。”) v9 ~+ q4 n, _" I/ d! {
不过，她补充说，这种蛋白的奇异结构复杂性并不止于此。她说，“这些长丝之间的相互作用形成三角螺旋束，然后这些螺旋束可以扩展形成五角螺旋束。”这些结构成分的作用仍有待研究。. P% K$ {+ z" L3 v0 A$ b4 K( D
同样不寻常的是，Cat1 似乎经常单独工作。Baca说，“通常情况下，在III型CRISPR系统中，有两种活动有助于产生免疫效果。然而，大多数编码Cat1的细菌似乎主要依靠Cat1产生免疫效果。”. n0 [1 u% r) {; t  x" I, u
Marraffini 说，这些发现提出了令人感兴趣的新问题。“我认为我们已证明了CARF效应蛋白在防止噬菌体复制方面的巨大作用，但我们仍有许多关于它们如何做到这一点的细节需要了解。看看这项研究接下来会把我们引向何方，这将是一件令人着迷的事情。”（生物谷 Bioon.com）
5 M( Y5 {, J* u1 T! G参考资料：' D; {' ^" y4 [3 h7 e
Christian F. Baca et al, Cat1 forms filament networks to degrade NAD+ during the type III CRISPR-Cas antiviral response, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv9045.
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