青岛日报社/观海新闻8月14日讯 近日，山东大学微生物改造技术全国重点实验室佘群新教授/冯旭研究员团队与华中农业大学韩文元团队合作，在国际学术期刊《Cell Reports》在线发表题为“Recruitment of Cas3 enables DNA cleavage by the type I-A CRISPR-Cas system of Saccharolobus islandicus”的研究论文。该工作系统解析了广泛分布的I-A型CRISPR-Cas系统的多层级活性调控机制，提出了“靶标依赖的Cas3招募激活”新模型，并首次揭示了ATP在该过程中的双向调控作用，为CRISPR基因编辑技术的精准优化及微生物–病毒互作机制的理解提供了重要理论依据。博士研究生蒋素平为本论文第一作者，冯旭研究员、佘群新教授与华中农业大学韩文元教授为论文共同通讯作者，山东大学微生物改造技术全国重点实验室为通讯作者单位。
CRISPR-Cas系统是原核生物抵御噬菌体及外源质粒入侵的适应性免疫系统，其工作机制的阐明直接推动了基因编辑技术的革命性发展。其中，I型CRISPR系统在自然界中分布最为广泛，但其组成复杂，这长期制约了对其工作机制的深入理解。尤其是I-A亚型，拥有最丰富的Cas蛋白组分，其负责DNA切割的Cas3蛋白进一步演化为两个独立亚基，分子作用机制此前尚未被完整解析。
本研究以冰岛硫化叶菌（Saccharolobus islandicus ）的I-A型系统为模型，成功从天然宿主中分离纯化出内源性Cascade复合物（CRISPR-associated complex for antiviral defense）。研究发现，该菌的I-A系统与已报道的激烈火球菌（Pyrococcus furiosus）I-A系统在激活策略上存在显著的机制分化: 无靶标时，多个Cas蛋白组装形成缺乏Cas6（CRISPR RNA加工酶）与Cas3核酸酶的Cascade复合物；而靶标出现时，Cascade复合物识别靶标DNA并招募Cas3，进而激活Cas3的ATP酶活性、解旋酶活性及对靶标的持续性切割能力。相比之下，激烈火球菌I-A系统的Cas3始终与Cascade预结合，仅当靶标识别后才解除自我抑制（Hu et al., Mol. Cell, 2022）。两项研究共同揭示了同一亚型内不同菌株间CRISPR激活策略的多样性。
本研究进一步提出，细胞内ATP对I-A型CRISPR活性具有多层级调控作用。一方面，ATP特异性促进Cas3对靶标DNA的持续性切割，保障对入侵病毒的高效清除；另一方面，ATP同时抑制Cas3激活后的非特异性单链切割活性，并遏制游离Cas3蛋白的本底核酸酶活性，从而在确保病毒DNA精准切割的同时，最大限度降低自身免疫损伤风险，为未来CRISPR工具的活性精细调控提供了全新设计思路。
本研究得到了国家重点研发计划、山东省自然科学基金、山东省教育厅项目、湖北省科技发展专项、青岛市自然科学基金以及微生物改造技术全国重点实验室前沿挑战项目等资助。山东大学微生物改造技术全国重点实验室公共技术平台为本工作提供了重要技术支持。（青岛日报/观海新闻记者 窦衍凤 通讯员 蓝小谷）
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