我校研究團隊在微生物免疫領(lǐng)域取得新進展
核心提示：2020年9月15日，Cell Reports雜志以Article形式在線發(fā)表了我校生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院韓文元教授課題組最新研究成果。該研究首次發(fā)現(xiàn)金屬依賴的、細胞膜關(guān)聯(lián)的核酸酶降解III型CRISPR-cas系統(tǒng)的第二信使——環(huán)寡聚腺苷酸（cOA）。
2020年9月15日，Cell Reports在線發(fā)表了我校生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院韓文元教授課題組的研究成果，標(biāo)題為“A membrane-associated DHH-DHHA1 nuclease degrades type III CRISPR second messenger”；該研究發(fā)現(xiàn)了降解III型 CRISPR-cas系統(tǒng)第二信使的新型核酸酶。該酶可能參與調(diào)控III型系統(tǒng)的免疫活性，避免持續(xù)的免疫響應(yīng)對細胞造成損害。
CRISPR-Cas系統(tǒng)是原核生物用來抵御外來遺傳元件入侵的獲得性免疫系統(tǒng)。其中，III型 CRISPR-cas系統(tǒng)具有多種免疫活性，其效應(yīng)復(fù)合物能夠：(1) 規(guī)律性切割crRNA匹配的靶標(biāo)RNA；(2) 在結(jié)合靶標(biāo)RNA時，降解轉(zhuǎn)錄泡周圍的ssDNA；(3) 在結(jié)合靶標(biāo)RNA時，合成第二信使cOA。cOA能夠結(jié)合下游效應(yīng)物Csm6/Csx1，并激活后者高效切割非特異性ssRNA，此時不僅入侵核酸元件的轉(zhuǎn)錄本會受到降解，宿主轉(zhuǎn)錄本也會被切割，從而引起細胞休眠。III型系統(tǒng)所激活的核糖核酸酶活性需要受到嚴(yán)格的控制，否則會導(dǎo)致非預(yù)期的細胞毒性甚至細胞死亡。
前期研究發(fā)現(xiàn)一種含有CARF結(jié)構(gòu)域、被稱為環(huán)核酸酶的蛋白質(zhì)能夠以不依賴金屬離子的方式切割cOA，并可能參與調(diào)控III型系統(tǒng)的免疫活性。然而，環(huán)核酸酶的活性不足以降解高濃度的cOA，而III型系統(tǒng)的效應(yīng)復(fù)合物恰恰具有高效的cOA合成能力。這矛盾之處暗示存在未知因素參與III型系統(tǒng)免疫活性的調(diào)控。
本文作者首先從冰島硫化葉菌的細胞提取物中鑒定出了金屬離子依賴的、細胞膜關(guān)聯(lián)的cOA降解活性，并發(fā)現(xiàn)在高cOA濃度下，金屬依賴的cOA降解活性顯著提高了清除cOA的效率。隨后，作者分離得到了金屬離子依賴的DHH-DHHA1家族核酸酶（MAD），并對其進行了一系列體內(nèi)外研究。結(jié)果表明MAD具有三個特點：（1）具有極高的cOA降解能力；（2）結(jié)合在細胞膜上；（3）具有非特異性的DNA和RNA降解活性。
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圖1. 膜關(guān)聯(lián)DHH-DHHA1核酸酶（MAD）參與調(diào)控III型系統(tǒng)免疫活性的工作模型
根據(jù)這三個特點，作者提出了MAD的工作模型。病毒入侵引發(fā)III型CRISPR-cas系統(tǒng)的免疫響應(yīng)，通過合成cOA激發(fā)Csx1的核酸酶活性；環(huán)核酸酶開始降解cOA，而MAD的膜關(guān)聯(lián)的特點會限制其對新生cOA的降解，從而避免免疫響應(yīng)過早關(guān)閉；當(dāng)cOA的濃度超過環(huán)核酸酶的降解能力時，擴散到細胞膜周圍的cOA會被MAD快速降解，從而避免免疫響應(yīng)持續(xù)太長時間對細胞造成損害。這些發(fā)現(xiàn)表明“聰明”的原核生物能夠復(fù)雜、精準(zhǔn)地調(diào)控免疫響應(yīng)，從而在與病毒的戰(zhàn)爭中存活。
我校生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院碩士研究生趙瑞亮和楊洋為共同第一作者，韓文元教授為該研究的通訊作者。該研究得到了校啟動經(jīng)費、國家自然科學(xué)基金、校自主創(chuàng)新基金的資助。
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