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Nature Communi | 中科院深圳先进院马迎飞/李楠团队发现Healer切割后修复抗CRISPR机制

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细菌CRISPR-Cas是重要抗噬菌体防御,噬菌体多靠Acr/Racr在切割前干扰。2026年9月21日,中国科学院深圳先进技术研究院马迎飞、李楠团队在《Nature Communications》发表题为《A phage DUF669 protein mediates postcleavage DNA repair against host CRISPR immunity》的研究,他们通过AP-MS筛选发现噬菌体Φ47的Gp63和Gp64组成Healer系统,以切割后DNA修复对抗CRISPR免疫。


研究团队把Strep标签Cas7在铜绿假单胞菌PA14中表达,让内源Cas5、Cas6、Cas7和Cas8组装成I-F型Csy复合物,再用污水富集的PA噬菌体感染细胞,通过亲和纯化与LC-MS/MS鉴定互作蛋白。他们得到9个噬菌体Φ47来源的非结构蛋白,包括Gp04、Gp10、Gp11、Gp52、Gp54、Gp60、Gp63、Gp64和Gp65,其中Gp63含DUF669域,Gp64含AAA域,两个基因位于复制相关的中期基因簇。Gp63的前181个氨基酸足以与Csy复合物互作,研究团队将其截短体称为Gp63s,并在PA14质粒干扰实验中观察到Gp63s能缓解I-F型CRISPR对gentR的切割,Gp04没有这种活性,全长gp63则因毒性难以在PA14中克隆。

EMSA实验显示,Gp63和Gp63s不能单独结合双链DNA,却能在Csy复合物存在时结合靶向dsDNA,并形成迁移更慢的Csy-dsDNA-Gp63(s)复合物。Gp63s结合的是靶向dsDNA暴露的非靶链ssDNA,AlphaFold3预测DUF669域形成OB折叠,覆盖NTS的五个核苷酸,多个Gp63分子以寡聚形式结合R-loop结构。突变K38、R64、I77、R112和Y119会降低ssDNA结合,并破坏Csy-dsDNA结合,说明这些残基对复合物形成很关键。体外Cas3切割实验中,Gp63结合Csy-dsDNA后并不抑制Cas3切割,研究团队据此判断它不是经典Acr蛋白,而是识别CRISPR切割产生的ssDNA并参与后续修复。


研究团队用Gp63s作为捕获蛋白,在噬菌体Φ47感染PA14时富集到邻近基因编码的Gp60、Gp61和Gp64,其中Gp64与Sak4样ssDNA退火蛋白有68.75%同一性。体外ssDNA退火实验显示Gp64具有单链退火活性,T7噬菌体Cas9断裂修复实验显示,含Gp63的组合比GFP对照提高1到2个数量级的噬菌体存活,Gp63单独作用强于Gp64单独作用。Gp63-Gp64联合Cas9达到85%编辑效率,截短体Gp63s-Gp64达到95%,高于λ-Red和RecET系统,RecA缺陷宿主中Gp63活性下降,C端可能参与RecA互作。

Gp63s-Gp64与Cas9组合编辑铜绿假单胞菌噬菌体ΦPA-GZ-1,效率达到50%,λ-Red与Cas9组合没有产生突变,与Cas12组合编辑非模式鲍曼不动杆菌噬菌体ΦP1B,效率达到100%。Cas12产生的交错切口和较长ssDNA突出可能更适合Gp63的SSB样活性,不同靶点与宿主修复途径也会影响绝对效率,研究团队建议逐靶评估。该修复模块对多种dsDNA靶向CRISPR-Cas核酸酶都有增强作用,并能用于不同遗传背景的噬菌体编辑。

hmmsearch在NCBI RefSeq病毒数据库中找到152个DUF669域蛋白,系统发育树把它们分成主要感染革兰阴性菌和革兰阳性菌的两大分支,gp63-gp64模块在多种噬菌体中保守,vConTACT分类跨Seuaturius、Nipunavirus、Moineauvirus、Septimatrevirus、Rosemountvirus和Pasvirus等属。细菌DUF669蛋白的C端带有类似细菌SSB的DDDIFF基序,多位于前噬菌体区域,噬菌体SSB如T4 Gp32和T7 Gp2.5对E. coli有毒性。用细菌DUF669蛋白88590替换Gp63可降低毒性,重组修复效率却低于Gp63s-Gp64,Healer系统补充了切割后DNA修复这一抗CRISPR策略。

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