长期以来，CRISPR-Cas9一直被比作一种基因剪刀，因为它能够精确地剪掉任何所需的DNA片段。

但事实证明，CRISPR系统的工具箱中不止一种策略。CRISPR是一种最初在细菌中发现的机制，在细菌中，它作为一种适应性免疫系统已经存在了数个世纪，某些单细胞生物自然地利用CRISPR来保护自己免受病(称为噬菌体)和其他外来遗传片段的侵害。

现在，洛克菲勒大学细菌学实验室(由LucianoMarraffini领导)和莫斯科国立癌症中心结构生物学实验室(由DinshawPatel领导)的研究人员发现了CRISPR系统如何不仅使用基因剪刀对抗入侵者，而且还充当一种分子熏蒸器。

在最近发表在《细胞》杂志上的一篇论文中，科学家发现这种名为CRISPR-Cas10的系统可以用有分子淹没被病感染的细菌，从而阻止病在其余细菌群体中传播。

“这是一种全新类型的CRISPR化学，”论文共同第一作者、Marraffini实验室的TPCB研究生ChristianBaca说道。“这进一步证明CRISPR系统拥有一系列可用的免疫策略。”

电池关闭

CRISPR(“成簇的规律间隔的短回文重复序列”)系统有六种类型;例如，CRISPR-Cas9属于II型，其中酶Cas9起DNA剪刀的作用。在目前的研究中，研究人员研究了一种名为CRISPR-Cas10的III型系统。

在这两种系统中，向导RNA都会识别有问题的遗传物质，然后酶开始剪切。然而，CRISPR-Cas10复合物还会产生大量称为环状寡腺苷酸(cOA)的小第二信使分子，这有助于关闭细胞活动，从而阻止病传播。这第二道防线类似于对一个害虫肆虐的房间进行熏蒸，然后迅速关上门，以控制害虫，使其无法蔓延到房子的其他地方。

巴卡说，这一分为两部分的回应很大程度上是一个时间问题。

“只要被向导RNA识别的靶转录本是在病感染早期产生的，Cas10本身就能清除细胞中的噬菌体或质粒。但如果有问题的片段是在感染后期产生的，这些cOA分子对于防御至关重要，”他说。

“通过这种方式，III型CRISPR系统的工作方式类似于哺乳动物的先天免疫途径，例如cGAS-STING，它们产生环状核苷酸来激活宿主反应，”Marraffini补充道。

尽管人们了解很多，但新型III型CRISPR蛋白——CRISPR相关腺苷脱氨酶1(Cad1)——如何实现细胞关闭的确切分子动力学尚不清楚。

有羽流

为了找出答案，研究人员对Cad1进行了详细的分子和结构分析，使用低温电子显微镜和其他先进方法揭示了不寻常的结构和动态，解释了该系统如何暂停细胞活动。

在CRISPR-Cas10系统中，Cad1通过将cOA与蛋白质的一部分(称为CARF结构域)结合来示病的存在。这反过来又刺激Cad1将ATP(细胞的能量货币)转化为ITP(一种通常存在于细胞中少量的中间核苷酸)，然后ITP充斥细胞。高剂量的ITP会对细胞产生性，因此细胞活动会停止，使细胞处于休眠状态。

“当病被隔离在受感染的细胞中时，受感染的细胞就会被牺牲，但更大的细菌群体会受到保护，”共同第一作者、帕特尔实验室的博士后研究学者PujaMajumder说。它产生这种影响的原因尚不清楚。一种理论是，过量的ITP会争夺通常由ATP或GTP占据的蛋白质结合位点，而这些位点对于正常的细胞功能至关重要;另一种理论是，高水平的ITP会干扰噬菌体DNA复制。

“但我们还不知道具体原因，”马宗德说道。

他们的发现的一个潜在应用是作为感染的诊断工具。Baca指出，“ITP的存在表明样本中存在病原体转录本。”