变形蛋白质保护细菌免受入侵者的侵害

当异物攻击时，构成我们免疫系统的分子民兵就会开战。在混乱的战斗中，这个骑兵必须小心不要对自己的士兵开火;从人类到细菌的各种生物体已经发展出特殊的机制来避免这种混淆。

洛克菲勒科学家的一项新研究描述了一种策略，即细菌区分自己的部队和恶意入侵者，如病毒。这项发表在Molecular Cell上的研究表明，蛋白质Cas10通常是无害的，但在面对外来遗传物质时会变成酶刺客。

独特的防线

细菌保护自身的一种方法是通过使用CRISPR，或聚集有规律的间隙短回文重复序列和相关的Cas蛋白。这些系统不仅可以抵御病原体，还可以记忆它们：当一种细菌受到攻击时，它会复制并储存一部分入侵者的DNA。这种称为间隔区的基因序列有助于细菌在下次攻击时识别入侵者。一旦检测到侵入者，Cas酶会溶解其DNA。

作为一个不断发展的领域，CRISPR研究有助于了解细菌如何获得对病毒的免疫力，以及这种免疫如何影响微生物的进化。科学家已经确定了几种类型的CRISPR系统，包括II型，由于其在基因编辑技术中的应用，最近引起了人们的极大关注。然而，Shixin Liu教授对一种研究较少的系统感兴趣，该系统被称为III型，他说，“它是存在的最迷人的CRISPR系统”。

在与Luciano Marraffini教授交谈后，刘先生对III型的热情出现了，他的实验室致力于理解CRISPR-Cas系统。2017年，Marraffini及其同事表明，III型系统具有独特的能力，不仅可以针对单个入侵者序列，而且可以针对遗传主题进行变异。这意味着即使病毒发生变异，CRISPR-Cas仍然可以识别并破坏其DNA。

“对于其他系统，你的目标序列中只有一个突变，通常会失去免疫力，”刘说。“但是使用Cas10酶的III型系统即使在靶标有多个突变时也能有效。”

与其他CRISPR类型的酶相比，Cas10在相对多种靶标上发射;然而，它设法避免伤害细菌自身的DNA。刘先生想知道，III型复合体如何区分自我和其他?

避免友好的火灾

与Marraffini和博士后研究员Ling Wang一起工作，Liu开始更好地了解Cas10如何与不同种类的RNA相互作用。他们使用单分子荧光显微镜分析了酶的动力学，这种技术可以让研究人员跟踪分子随时间的变化。

研究人员发现，当Cas10暴露于入侵者的RNA时，酶的结构呈现出新的形态。并且，刘说，当Cas10循环通过各种构象时，它间歇地进入活跃状态，这使得酶具有DNA溶解能力。

相反，当Cas10遇到“自身”RNA时，酶被锁定在非活性位置，这阻止了DNA的任何切割和切片。刘说，这些结果解释了III型系统如何避免自毁行为。

“我们不希望Cas10随意切割DNA。它的活动必须受到监管，”他说。“而且看起来这种酶只有在从非活性配置中解锁时才有效。”

研究人员还发现，当Cas10暴露于突变的敌人RNA时，酶可以弯曲成有限数量的活性形状。随着Cas10的延展性降低，细菌免疫反应的强度也随之降低。

这些研究结果表明，强大的免疫反应取决于Cas10的活动能力：当酶能够自由摆动时，它会在活跃状态下花费更多时间，从而更多时间降解危险的DNA。刘说，尽管酶失去了一些灵活性，但它并没有完全丧失其伤害入侵者的能力。

“这些结果表明，免疫力不是二元性的，”他说。“相反，随着外源RNA突变，免疫力逐渐变强。”

该研究有助于解释III型系统的独特靶向策略，并有助于持续了解CRISPR-Cas免疫如何影响细菌的进化。