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12月13日，中国药科大学药学院药理系、重庆中国药科大学创新研究院、多靶标天然药物全国重点实验室肖易倍教授，药理系陈美容副教授，生命科学与技术学院陆美玲副教授为共同通讯作者合作在Science杂志上以“First Release”形式在线发表了题为“Antiviralsignaling of a type III CRISPR-associated deaminase” 的研究论文。科学家们通过研究发现了名为CRISPR-CAAD的系统，通过“耗光”细菌内部的能量分子ATP来阻止噬菌体扩散，揭示了细菌免疫系统与能量代谢之间的独特联系，为细菌抵抗噬菌体感染的防治提供了新的思路。 药学院博士研究生李钰涛、博士后李兆星、硕士研究生闫朴睿、孔健平，以及生命科学与技术学院硕士研究生华晨扬为该论文的共同第一作者。 细菌虽比人类简单，却也有自己的“免疫系统”用来保护自己免受噬菌体感染。科学家们通过研究发现了名为CRISPR-CAAD的系统，通过“耗光”细菌内部的能量分子ATP来阻止噬菌体扩散，揭示了细菌免疫系统与能量代谢之间的独特联系，为细菌抵抗噬菌体感染的防治提供了新的思路。 基于CRISPR-Cas系统的新型基因编辑技术被称为“基因剪刀”，已被广泛应用于基因工程领域。在已知的CRISPR-Cas系统中，III型是最复杂的一种。团队通过生物信息学分析发现，某些III型CRISPR-Cas系统缺少传统的核酸切割功能，却携带一种脱氨酶（CAAD）和一种核苷酸水解酶（Nudix）。这种独特的组合让科学家推测，这类系统的免疫机制可能与能量代谢密切相关。 当CRISPR-CAAD系统检测到噬菌体入侵时，会合成几种特殊的信使分子（cA3、cA4和cA6）。其中cA4和cA6能激活CAAD蛋白，使其将细菌内部的ATP（一种提供能量的分子）转化为ITP。这种转化会迅速耗尽细菌的能量，阻止噬菌体的复制和扩散，同时抑制感染细菌的生长，从而达到“以牺牲少数个体保护整体”的效果。 然而，积累的ITP对细菌自身也有毒性，可能导致蛋白合成出错。为避免长期影响，当噬菌体被清除后，细菌利用Nudix酶将有害的ITP分解成无害的IMP，从而恢复正常生长。这种“解毒”机制确保了细菌群体的生存和健康。 陈美容副教授、陆美玲副教授、肖易倍教授合照（从左往右） 研究团队利用冷冻电镜技术捕捉到CAAD蛋白在激活前后的三维结构。这些高分辨率图像显示，信使分子cA4和cA6在激活CAAD蛋白时存在一种“协同效应”，即它们共同作用提高了系统的灵敏度和效率。这种精准而高效的设计反映了细菌在与噬菌体“战争”中进化出的精妙策略，为理解III型CRISPR系统的多样性提供了新视角。 论文链接： https://www-science-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1126/science.adr0393 版权声明 本文来源：中国药科大学，版权属于原作者，仅用于学术 扫描回复“规律”，即可一键下载 有机化学反应规律总结（非常全面）  邢其毅版《基础有机化学》配套PPT

无论是人类还是微生物，在生存过程中都会面临病毒（或噬菌体）的威胁。你知道吗？细菌虽然比人类简单，却也有自己的“免疫系统”用来保护自己免受感染。北京时间12月13日，我校药学院药理系、重庆中国药科大学创新研究院、多靶标天然药物全国重点实验室肖易倍教授，药理系陈美容副教授，生命科学与技术学院陆美玲副教授为共同通讯作者合作在Science杂志上以“First Release”形式在线发表了题为Antiviralsignaling of a type III CRISPR-associated deaminase的研究论文。药学院博士研究生李钰涛、博士后李兆星、硕士研究生闫朴睿、孔健平，以及生命科学与技术学院硕士研究生华晨扬为该论文的共同第一作者。科学家们通过研究发现了名为CRISPR-CAAD的系统，通过“耗光”细菌内部的能量分子ATP来阻止噬菌体扩散，揭示了细菌免疫系统与能量代谢之间的独特联系，为细菌抵抗噬菌体感染的防治提供了新的思路。 神奇的“基因剪刀”CRISPR-Cas：已广泛应用于基因工程领域 细菌虽然比人类简单，却也有自己的“免疫系统”用来保护自己免受噬菌体感染。这些细菌免疫系统非常多样化且复杂，它们的工作原理至今仍在被科学家探索。研究细菌的这些“免疫系统”不仅有助于揭开生命活动的奥秘，还直接推动了科学技术的进步，比如以CRISPR-Cas9为代表的基因编辑技术就是从细菌免疫系统中得到的灵感。 基于CRISPR-Cas系统的新型基因编辑技术被称为“基因剪刀”，已被广泛应用于基因工程领域。CRISPR-Cas系统是一种存在于细菌和古细菌中的天然免疫机制。它会像“侦察兵”一样用RNA检测外来入侵者（比如噬菌体的DNA或RNA），并发动攻击以保护自己。CRISPR技术已经被人类利用来进行基因编辑，在医疗、农业等领域带来了革命性的突破。人类依靠免疫系统会识别并清除病毒。比如cGAS蛋白通过“捕捉”病毒DNA来激活下游免疫反应，而ADAR1蛋白会“修改”病毒RNA，干扰其功能。 在所有已知的CRISPR-Cas系统中，III型是最复杂的一种。与其他CRISPR系统通过直接切割噬菌体核酸来消除威胁不同，III型系统使用一种“间接攻击”方式：先识别噬菌体的核酸，然后产生一种叫做“信使分子”的物质，这些分子可以进一步激活其他防御反应。这种复杂性为科学研究和技术应用提供了巨大潜力。 陈美容副教授、陆美玲副教授、肖易倍教授合照（从左往右） 升级版“秘密武器”CRISPR-CAAD：课题组发现细菌通过能量代谢抵抗噬菌体的新机制 1. 如何发现CRISPR-CAAD？ 研究团队通过生物信息学分析发现，某些III型CRISPR-Cas系统缺少传统的核酸切割功能，但却携带一种脱氨酶（CAAD）和一种核苷酸水解酶（Nudix）。这种独特的组合让科学家推测，这类系统的免疫机制可能与能量代谢密切相关。 2. ATP的消耗机制 进一步实验表明，当CRISPR-CAAD系统检测到噬菌体入侵时，会合成几种特殊的信使分子（cA3、cA4和cA6）。其中cA4和cA6能激活CAAD蛋白，使其将细菌内部的ATP（一种提供能量的分子）转化为ITP。这种转化会迅速耗尽细菌的能量，阻止噬菌体的复制和扩散，同时抑制感染细菌的生长，从而达到“以牺牲少数个体保护整体”的效果。 3. 恢复机制：防止“反噬” 然而，积累的ITP对细菌自身也有毒性，可能导致蛋白合成出错。为了避免长期影响，当噬菌体被清除后，细菌利用Nudix酶将有害的ITP分解成无害的IMP，从而恢复正常生长。这种“解毒”机制确保了细菌群体的生存和健康。 4. 精准调控的机制 为了更深入地揭示CRISPR-CAAD系统的工作原理，研究团队利用冷冻电镜技术捕捉到CAAD蛋白在激活前后的三维结构。这些高分辨率图像显示，信使分子cA4和cA6在激活CAAD蛋白时存在一种“协同效应”，即它们共同作用提高了系统的灵敏度和效率。这种精准而高效的设计反映了细菌在与噬菌体“战争”中进化出的精妙策略，为我们理解III型CRISPR系统的多样性提供了新视角。 结语 我校研究团队对CRISPR-CAAD系统的研究为细菌免疫系统的多样性和复杂性提供了新的视角。通过深入解析这种机制，不仅有助于推动基因编辑和生物医学技术的发展，还可能为解决人类面临的重大健康问题提供重要启发。 细菌虽小，却在与噬菌体的较量中展现了惊人的“智慧”。这些微生物的进化奥秘，正在逐步为我们揭示出生命科学的更多可能性。 近三年，该团队成员聚焦核酸免疫与调控，以通讯作者（含共通）在Science，Nature Chemical Biology，Cell Research，Nature Communications，PNAS，NAR，Cell Reports，APSB和JMC等学科顶尖及以上期刊发表研究论文近30篇,申报专利50余项。团队积极投身有组织科研体系，通过与生命科学与技术学院陈依军教授、药学院药物化学系杨鹏教授、药物分析系纪顺利副教授、中药学院赵玉成教授、湖南中医药大学李顺祥教授、新加坡国立大学胡纯一教授、南京财经大学李光磊博士联合攻关，最终得以顺利完成本研究。生命科学与技术学院硕士研究生吴宛倩和崔钰瑢，湖南中医药大学博士研究生段彦亦参与了本课题研究。该研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体项目（82321005）、国家重点研发计划（2023YFC3402300）等项目的支持。上海交通大学分析测试中心和南方科技大学冷冻电镜平台为数据采集提供了保障。 近年来，我校积极推进自由探索与有组织科研有机融合。聚焦“健康中国”建设过程中的重大科研任务，加强创新人才队伍建设，跨学科、跨领域组建攻关团队，共同解决全球性的科学难题。 全文链接： https://www-science-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1126/science.adr0393 来源：药学院、生命科学与技术学院、宣传部 文字：肖星宇、吴旻玥 编辑：王琳琳、龙彦妤

编辑丨王多鱼 排版丨水成文 CRISPR-Cas系统是原核生物中广泛存在的一种由RNA引导靶向外源遗传物质的核酸免疫系统。基于II型CRISPR-Cas9的基因编辑技术，获得2020年诺贝尔化学奖，并在生物医药等诸多领域产生了革命性的影响。而III型CRISPR-Cas系统是目前发现的所有CRISPR-Cas系统中最复杂的一类系统，阐明其作用机制具有重要的科学意义和潜在的应用价值。 2024年12月12日，中国药科大学肖易倍/陈美容/陆美玲团队在 Science 期刊发表了题为：Antiviral signaling of a type III CRISPR-associated deaminase 的研究论文【1】。 该研究阐明了III型CRISPR系统通过生成环化腺苷第二信使激活下游效应脱氨酶来耗竭ATP，从而实现免疫的分子机制。该团队前期通过生物信息学分析挖掘到一类III型CRISPR-Cas下游缺失了广泛分布的核酸酶模块，取而代之的是一个融合了第二信使识别结构域的脱氨酶CAAD（CRISPR-Cas-associated adenosine deaminase），以及一个可能降解核苷的水解酶NH（Nudix Hydrolase）。表明该类系统的作用机制可能完全不同于已知的通过切割核酸实现免疫的CRISPR-Cas系统。鉴于合成环化核苷酸第二信使和腺苷脱氨分别在人源核酸免疫系统cGAS-STING和ADAR中存在，研究团队大胆推测这类系统很可能是通过核苷酸代谢来实现其免疫效应。 通过体外重组，团队首先成功纯化得到了该系统中负责识别外源核酸的Cmr复合物。接下来利用MALDI-TOF技术证明该效应复合物通过互补配对识别外源核酸后，会利用ATP生成cA3/cA4/cA6三种环化腺苷，这三种环化腺苷也可能作为第二信使激活下游的效应蛋白。为了确认第二信使，该团队测定了不同环化腺苷对CAAD脱氨酶的亲和力，发现cA4和cA6均与CAAD有着极高的亲和力，而cA3几乎不会和CAAD结合。虽然之前报道过某些III型CRISPR-Cas的下游效应蛋白可以结合两种不同的环化腺苷，但往往只有一种特定的环化腺苷能激动其活性。出乎意料的是，生化分析表明在该系统中，cA4和cA6均能高效激活CAAD的脱氨酶活性，并特异性地将ATP转化成ITP。ITP的蓄积往往会导致较强的细胞毒性，进一步的生化实验证明CAAD下游的NH酶可特异性地将ITP降解成IMP，发挥解毒功能。该团队接下来通过体内实验验证了该类III型CRISPR-Cas系统在Cmr复合物以及CAAD-NH的协同作用下，可以抑制被外源核酸侵扰细菌的生长，达到群体免疫的作用。 为了进一步解释CAAD被第二信使的激活机制，研究团队利用冷冻电镜技术捕捉到了CAAD从无活性到被激活过程中一系列的高分辨率三维结构，直接观察到并证实了其激活过程中存在协同效应。CAAD由N端的CARF结构域和C端的脱氨酶结构域组成，依靠其互作界面形成一个由三个CAAD二聚体组成的六聚体复合物。当CARF未结合第二信使时，该结构域呈现出高度柔性可变状态。一旦CARF结合环化腺苷后，会发生60°旋转，让整个六聚体结构更紧凑的同时带动脱氨酶结构域产生一系列构象变化，最终激活脱氨酶活性中心。 近期，美国洛克菲勒大学 Luciano A. Marraffini 和纪念斯隆·凯特琳癌症中心 Dinshaw J. Patel 团队合作在 Cell 期刊发表的题为：The CRISPR-associated adenosine deaminase Cad1 converts ATP to ITP to provide antiviral immunity 的论文中也发现了cA4和cA6均会激活腺苷脱氨酶活性，通过耗竭ATP并诱导ITP的蓄积来抑制细菌生长【2】。但该研究并未捕获到cA6识别的状态，也未能解释ATP脱氨酶活性激活的分子机制以及ITP如何被进一步代谢。 但上述问题均在这篇 Science 论文中得到了详细阐明。 总体而言，该研究发现了CRISPR核酸免疫系统中一条全新的核苷代谢-免疫调控-抗病毒通路，拓展了对III型CRISPR系统抗病毒免疫的机制的理解和认识。对效应蛋白CAAD脱氨酶作用机制的阐明为改造利用该免疫机制奠定了理论基础。 中国药科大学肖易倍、陈美容、陆美玲为该论文的通讯作者。中国药科大学博士研究生李钰涛、博士后李兆星、硕士研究生闫朴睿、华晨扬、孔健平为该论文的共同第一作者。新加坡国立大学胡纯一教授、中国药科大学陈依军教授、杨鹏教授、纪顺利教授、赵玉成教授、湖南中医药大学李顺祥教授、南京财经大学李光磊博士对本课题做出重要贡献。中国药科大学硕士研究生吴宛倩和崔钰瑢，湖南中医药大学博士研究生段彦亦参与了该研究。 论文链接： 1. https://www-science-org.libproxy1.nus.edu.sg/doi/10.1126/science.adr0393 2. https://www-cell-com.libproxy1.nus.edu.sg/cell/fulltext/S0092-8674(24)01150-4 设置星标，不错过精彩推文 开放转载 欢迎转发到朋友圈和微信群  微信加群  为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。 点在看，传递你的品味