研究人员揭示噬菌体对抗宿主的策略

在噬菌体与其原核宿主之间永无休止的军备竞赛中，原核生物已经发展出多种防御系统来抵御噬菌体的入侵。这些防御系统包括限制性修饰(RM)系统和CRISPR-Cas系统。CRISPR-Cas系统代表了唯一的适应性免疫系统。因此，噬菌体进化出了抗CRISPR蛋白来对抗这一系统。

CRISPR-Cas系统可分为两类六种类型。II型系统的Cas9效应蛋白由于其高效和简单而在基因组编辑中获得了广泛的应用。许多抑制Cas9的抗CRISPR蛋白已被鉴定和表征。了解这些抗CRISPR蛋白的机制将加深我们对噬菌体与其宿主之间复杂关系的了解，并促进基因编辑工具的开发。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，中国科学院生物物理研究所王艳丽教授领导的团队报告了一种名为AcrIIC4的抗CRISPR蛋白的进展，该蛋白可有效抑制II-C型Cas9通过阻止R环的形成。

AcrIIC4蛋白由副流感嗜血杆菌(Hpa)中发现的前噬菌体编码，具有广谱抑制能力。体外和体内实验均证实了AcrIIC4的抑制效力，表明其作为基因组编辑调节工具的潜力。然而，由于缺乏Cas9-AcrIIC4复合物的高分辨率结构，AcrIIC4抑制的确切机制仍然难以捉摸。

在这项研究中，研究人员成功解析了与HpaCas9-sgRNA监视复合物结合的AcrIIC4的晶体结构。AcrIIC4占据识别域(REC1和REC2)之间的缝隙，并与sgRNA形成广泛的相互作用。这种结合限制了灵活的REC2结构域的移动。

为了评估AcrIIC4结合的效果，研究人员确定了有和没有AcrIIC4的HpaCas9-sgRNA-DNA的结构。结构比较表明，DNA:RNA异源双链体在AcrIIC4存在时只能部分形成，但在AcrIIC4不存在时则完全形成。AcrIIC4有效地阻止DNA:RNA异源双链体的传播，防止完整R环的形成，这对于Cas9的连续变构激活至关重要。

此外，研究人员进行了全面的生化测定，以研究AcrIIC4对靶标DNA结合的影响。结果表明，AcrIIC4可防止PAM远端双链(ds)DNA解旋，并影响DNA:RNA结合通道的形成。尽管AcrIIC4减少了DNA与Cas9的结合，但它并没有消除它，从而澄清了之前关于AcrIIC4在阻止DNA结合方面的作用的争议。

有趣的是，AcrIIC4对不同的II-C型Cas9直系同源物表现出不同程度的抑制作用。研究人员发现，茎环1的不同长度导致了这种变异，这一发现为使用AcrIIC4进行调节时使用各种Cas9直系同源物的基因组编辑应用带来了希望。

总之，AcrIIC4采用一种新机制来抑制Cas9裂解。揭示其作用模式不仅可以增强对正在进行的噬菌体-宿主相互作用的理解，还可以扩展可用于基因组编辑的工具库。