CRISPR-Cas系统是一种强大的基因编辑工具，广泛存在于细菌和古生菌中，用于防御外源DNA的入侵。然而，为了平衡这种强大的防御机制，一些细菌和古生菌也进化出了能够抑制CRISPR-Cas系统活性的蛋白质，被称为anti-CRISPR蛋白（Acr）。目前，已发现近百种anti-CRISPR蛋白，它们通过多样化的机制抑制CRISPR-Cas系统的能力，包括模拟底物、阻碍蛋白与crRNA的相互作用以及修饰关键氨基酸等。
2024年7月3日，加拿大多伦多大学的Alan Davidson研究团队和中国科学院生物物理研究所的王艳丽研究团队合作在Nature上发表题为An anti-CRISPR that pulls apart a CRISPR–Cas complex的研究论文，发现了一种新型anti-CRISPR蛋白——AcrIF25，能够通过解离I-F型CRISPR-Cas复合体（Csy复合体）的方式抑制CRISPR-Cas系统的活性，为CRISPR-Cas系统的精确控制提供了新的思路。
在I-F型CRISPR-Cas系统中，效应复合体称为Csy复合体，由CRISPR RNA (crRNA) 和4种 Cas 蛋白组成。Cas5和Cas8形成异二聚体与crRNA 5'端结合，Cas6与crRNA 3'端的发卡结构结合，六个Cas7亚基沿着crRNA中间排列组成复合体的骨架结构。Csy复合体特异性识别外源核酸，并招募Cas3核酸酶将其降解。目前，已知的大多数I-F型Acr蛋白通过直接与Csy复合体结合，从而抑制CRISPR-Cas系统。
在本研究中，研究人员首先通过生物信息学的方法鉴定出了一种新的anti-CRISPR蛋白，命名为AcrIF25。噬菌斑实验显示，AcrIF25能够显著抑制铜绿假单胞菌I-F型CRISPR-Cas系统的活性。为了确认AcrIF25是否能够直接结合Csy复合体，研究人员将纯化的AcrIF25 与Csy复合体混合并进分子排阻凝胶层析。令人惊讶的是，AcrIF25没有与完整的Csy复合体结合，而是与其中的Cas7亚基结合，并将Cas7从完整的Csy复合体中分离出来，留下Csy复合体的其余组分（Cas5、Cas6、Cas8 和 crRNA）。
为了进一步阐明AcrIF25作用机制，研究人员解析了AcrIF25以及Cas7:AcrIF25复合体的晶体结构。AcrIF25的N端结构为典型的RHH折叠，C端由5个α-螺旋形成螺旋束。AcrIF25的C端结构域与Cas7形成大面积的相互作用，通过分析完整 Csy 复合体中两个相邻 Cas7 亚基与 crRNA 之间的相互作用，研究人员发现 AcrIF25结合Cas7的区域覆盖了Csy 复合体中相邻Cas7之间的结合界面以及Cas7与crRNA的结合界面，AcrIF25正是通过结合这些关键位置从而阻止Cas7与其他Cas7亚基和crRNA相互作用，进而使得整个复合体解体。这种“拆除”效应使得CRISPR-Cas系统无法有效地识别并切割外源DNA。
此外，以前发现的能够解离大分子复合体的蛋白质需要利用ATP 水解提供的能量。而AcrIF25不包含ATP结合或水解相关的结构域，生化实验显示，AcrIF25将Cas7从Csy复合体中解离出来不需要水解ATP提供额外的能量，显示了AcrIF25机制的独特性。
综上所述，AcrIF25的发现不仅为理解CRISPR-Cas系统的抑制机制提供了新的见解，而且为开发新型的生物技术工具提供了重要的启示。随着对AcrIF25及其类似Acr蛋白的进一步研究，有望开发出更加高效、安全和可控的基因编辑和基因治疗技术
AcrIF25解离Csy复合体的分子机制（Credit: Nature）参考文献
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07642-3
