CRISPR-Cas系統(tǒng)是細(xì)菌抵御病毒入侵的關(guān)鍵適應(yīng)性免疫機(jī)制，而噬菌體等可移動遺傳元件則進(jìn)化出多種“反CRISPR”蛋白來對抗這一防御。研究發(fā)現(xiàn)，噬菌體可利用一類特殊的RNA分子來干擾CRISPR-Cas系統(tǒng)（RacrIF1）。然而，RacrIF1如何被Cas蛋白識別、如何形成異常復(fù)合物并抑制免疫功能的分子細(xì)節(jié)尚不清晰。

近日，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心軟物質(zhì)與生物物理實驗室朱洪濤特聘研究員與中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原與微生物研究所高小攀、崔勝教授，首都醫(yī)科大學(xué)于霞教授合作，首次通過高分辨率冷凍電鏡技術(shù)闡明了RNA抗I-F型CRISPR系統(tǒng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與分子機(jī)制。

研究團(tuán)隊以I-F型CRISPR-Cas系統(tǒng)為對象，聚焦一類新發(fā)現(xiàn)的Racr分子，解析了其在細(xì)菌體內(nèi)如何模擬正常CRISPR RNA的結(jié)構(gòu)，通過“分子誘餌”策略競爭性結(jié)合Cas蛋白，從而破壞功能性免疫復(fù)合物的形成，最終瓦解細(xì)菌的適應(yīng)性免疫防御。在本研究中，團(tuán)隊利用冷凍電鏡技術(shù)，成功解析了來自胡蘿卜軟腐果膠桿菌的I-F型Csy復(fù)合物（由蛋白Cas5f，Cas6f，Cas7f，Cas8f組成）及其與RacrIF1分子結(jié)合形成的三種異常亞復(fù)合物的高分辨結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示，正常的復(fù)合物呈“G”形結(jié)構(gòu)；

而RacrI1F1誘導(dǎo)形成的異常復(fù)合物則因5′端結(jié)構(gòu)變異，形成含七至九個Cas7f蛋白形成的“C”形或“S”形長絲狀組裝體。研究還發(fā)現(xiàn)，Cas7f在非特異性RNA上可形成近乎無限延伸的超螺旋長絲，提示其在細(xì)胞內(nèi)可能存在嚴(yán)格的調(diào)控機(jī)制，避免因異常聚合導(dǎo)致自身免疫損傷。該研究不僅首次在原子層面揭示了RacrIF1抑制CRISPR-Cas系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機(jī)制，也為理解RNA介導(dǎo)的免疫逃逸策略提供了全新視角。同時，這一發(fā)現(xiàn)為發(fā)展新型基因編輯調(diào)控工具、設(shè)計針對CRISPR系統(tǒng)的可控抑制策略提供了理論依據(jù)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖 噬菌體通過RacrlF1繞過細(xì)菌CRISPER-Cas防御系統(tǒng)的分子機(jī)理示意圖

研究成果于2025年12月30日在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊Molecular Cell，題為RNA anti-CRISPRs deplete Cas proteins to inhibit the CRISPR-Cas system。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院病原與微生物研究所崔勝教授，高小攀教授，物理所特聘研究員朱洪濤，首都醫(yī)科大學(xué)于霞教授為共同通訊作者。病原所的高小攀教授，博士生朱凱祥，物理所已出戰(zhàn)博士后王琳，首都醫(yī)科大學(xué)博士生張偉賀為文章的共同第一作者。該項工作得到了中國科學(xué)院和國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

編輯：測不準(zhǔn)的小陽