论文标题：Inhibition of Type III CRISPR-Cas Immunity by an Archaeal Virus-Encoded Anti-CRISPR Protein
作者：Yuvaraj Bhoobalan-Chitty, Thomas Baek Johansen, Nadia Di Cianni, Xu Peng
期刊：Cell
发表时间：2019/10/03
数字识别码：10.1016/j.cell.2019.09.003
摘要：Bacteria and archaea possess a striking diversity of CRISPR-Cas systems divided into six types, posing a significant barrier to viral infection. As part of the virus-host arms race, viruses encode protein inhibitors of type I, II, and V CRISPR-Cas systems, but whether there are natural inhibitors of the other, mechanistically distinct CRISPR-Cas types is unknown. Here, we present the discovery of a type III CRISPR-Cas inhibitor, AcrIIIB1, encoded by the Sulfolobus virus SIRV2. AcrIIIB1 exclusively inhibits CRISPR-Cas subtype III-B immunity mediated by the RNase activity of the accessory protein Csx1. AcrIIIB1 does not appear to bind Csx1 but, rather, interacts with two distinct subtype III-B effector complexes—Cmr-α and Cmr-γ—which, in response to protospacer transcript binding, are known to synthesize cyclic oligoadenylates that activate the Csx1 “collateral” RNase. Taken together, we infer that AcrIIIB1 inhibits type III-B CRISPR-Cas immunity by interfering with a Csx1 RNase-related process.
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所属学科：
生物
化学
阅读论文原文撰文 | 章台柳
责编 | 兮
CRISPR-Cas系统是唯一已知的原核生物的适应性免疫系统，用来抵抗病毒和质粒的入侵，存在于40%的细菌和几乎所有的古细菌中。根据基因共同性和核糖蛋白效应复合物的组分，CRISPR-Cas分为1、2类，进一步细分为3种亚型，1类有I、III、IV型，2类有II、V、VI型【1】。CRISPR-Cas免疫系统包含3个步骤：从病毒和质粒基因组中获得新的间隔序列；生成效应复合物-产生CRISPR RNA前体crRNA并且Cas蛋白和成熟crRNA聚集形成复合物；干扰-切割入侵核酸。I、II、V型切割双链DNA，VI型切割RNA，IV型的切割底物未知，而III型系统在底物识别和干扰机制上都具有更高的复杂性。III型CRISPR-Cas系统包含A-D四种亚型【2】，其中III-A 和III-B 研究最多。III型系统的效应复合物首先和间隔序列的转录本 结合，导致Cas10蛋白的活化；Cas10蛋白通过其HD核酸酶结构域对DNA进行非特异性降解。而且，活化的Cas10蛋白通过其palm结构域合成环寡腺苷酸 【3】；cOAs通过与III-A型中的RNA酶Csm6和III-B型中的RNA酶Csx1的CARF结构域结合，并激活。体内转录研究表明，当间隔序列位于病毒早期基因中，Csm6在免疫过程是可有可无的；但当间隔序列位于病毒晚期基因中，Csm6则是必不可少的。相对的，Cas10的DNase活性被认为在整个III型系统中不可缺少，但仍需要实验进行证实。而其他III型系统的非特异性RNase在靶向病毒晚期基因过程中的作用目前尚不清楚。病毒同样进化出多种机制对抗CRISPR-Cas系统，包括间隔序列或PAM的突变和anti-CRISPR蛋白 【4】。目前已经发现抑制CRISPR-Cas亚型I-F、I-D、I-E、II-A、II-C、V-A的Acrs，这些Acrs通常具有特异性。但是目前只有低于一半的Acrs其抑制CRISPR-Cas系统的机制是已经确定的，包括破坏CRISPR-Cas效应复合物与DNA的结合和底物的切割。而且，目前没有发现抑制III、IV、VI型CRISPR-Cas系统的Acrs。2019年9月26日，来自丹麦哥本哈根大学的Xu Peng团队在Cell杂志上发表文章Inhibition of Type III CRISPR-Cas Immunity by an ArchaealVirus-Encoded Anti-CRISPR Protein，发现了III型CRISPR-Cas系统的抑制蛋白AcrIIIB1。AcrIIIB1不和Csx-1直接结合，而是通过与III-B系统中效应复合物Cmr-α、Cmr-γ的相互作用，特异性地抑制III-B系统。2018年，研究团队在古细菌 硫化叶菌 中发现了由SIRV2和SIRV3编码的AcrID1蛋白，AcrID1直接结合I-D系统的效应复合体的最大亚基Cas10d，抑制I-D型系统【5】。考虑到SIRV2能够感染Sulfolobusislandicus LAL14/1，而LAL14/1携带了一种I-A、一种I-D、2种III-B 和13个SIRV2匹配的间隔序列，那么SIRV2中是否存在抑制III型系统的Acrs蛋白？研究人员发现gp48的敲除显著降低病毒对野生型LAL14/1的感染能力，不影响其对删除CRISPR-Cas系统的突变LAL14/1的感染；而且gp48编码的蛋白能够抑制III-B系统，命名为AcrIIIB1。进一步研究发现，AcrIIIB1存在条件下，携带病毒早期基因间隔序列的菌株也能成功抵抗病毒的感染；而携带病毒中/晚期基因间隔序列的菌株不能抑制病毒的感染，提示我们AcrIIIB1抑制菌株的CRISPR-Cas免疫功能。即AcrIIIB1抑制III-B型靶向病毒中/晚期基因，而对III-B型免疫系统靶向病毒早期基因没有功能。那么AcrIIIB1抑制III-B型系统的机制是什么？之前的研究表明非特异性RNase Csm6对III-A型系统抑制病毒中/晚期基因是必需的；据推断，Cas10的HD DNase结构域对III型系统是必需的，但缺乏直接的数据证明。突变实验表明，III-B系统中Csx1的RNase活性对其靶向病毒中/晚期基因，而不是早期基因，是必需的；而Cmr2α 的DNase活性对III-B型系统控制病毒的各时期基因表达都是必需的。这表明AcrIIIB1可能通过抑制Csx1的RNase功能，而不是Cas10的DNase活性，抑制III-B型免疫系统。通过pull-down试验，发现AcrIIIB1和Csx1之间没有直接的相互作用；但AcrIIIB1直接和Cmr-α、Cmr-γ复合物相互作用，抑制古细菌对病毒感染的抵抗。最后，研究人员对AcrIIIB1的保守性进行探究。之前鉴定的古细菌病毒Acr蛋白AcrID1在几个主要的古病毒家族中都有同源类似物，但AcrIIIB1的同源物仅仅在Rudiviridae和Lipothrixviridae家族中存在。其中几乎所有的Rudiviridae家族成员和一半以上的Lipothrixviridae家族成员都具有AcrIIIB1类似序列。总的来说，该研究在古细菌病毒中鉴定了III型CRISPR-Cas抑制蛋白AcrIIIB1蛋白，并揭示了AcrIIIB1的作用机制—通过直接结合Cmr-α、Cmr-γ效应复合物，抑制Csx1的活化信号，从而实现抑制III-B型免疫系统；为研究CRISPR-Cas系统提供了新的视角。制版人：小娴子参考文献
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