在微生物与病毒的持续军备竞赛中，CRISPR-Cas系统为细菌和古菌提供了强大的适应性免疫防御，以抵抗病毒的入侵。根据效应复合物组成的差异，该系统被分为2大类（class I和class II）和7个亚型（type I~VII）1。其中III型CRISPR-Cas系统分布极为广泛，在细菌CRISPR-Cas系统中占比超过30%，其核心特征是依赖Cas10蛋白的双重功能结构域：包含具备核酸内切酶活性的HD结构域和拥有寡聚ATP环化酶功能的Palm结构域2。

当系统检测到病毒RNA时，Palm结构域会利用ATP合成环状寡腺苷酸（cOA）第二信使，进而激活下游效应蛋白，引发全面的抗病毒免疫应答。尽管cOA信号分子包含从三聚体到六聚体（cA3-cA6）的多种形式，但此前仅鉴定出cA3、cA4和cA6的特异性效应蛋白，而针对cA5这一在噬菌体感染后在宿主细胞内丰度最高的cOA信号分子之一3，其特异性效应蛋白却始终未被发现和鉴定。

2026年3月31日，福州大学林忠辉团队联合西湖大学高海山研究员在TheEMBO Journal在线发表题为Mechanistic basis for selective Csm6-2 activation by cyclic penta-adenylate in a type III CRISPR-Cas system的研究论文。

该研究首次鉴定出cA5的特异性效应蛋白Csm6-2，并通过冷冻电镜结构解析，系统阐明了其独特的四聚体组装方式、不对称配体结合口袋及cA5选择性激活的分子机制，填补了III型CRISPR信号通路中长期存在的关键空白。

研究团队通过系统的生化分析发现，来自Actinomyces procapsae的Csm6-2蛋白对cA5表现出强烈的响应（图1）。尽管cA6也能激活Csm6-2的RNase活性，但两者激活效率相差悬殊。令人意外的是，表面等离子体共振（SPR）实验显示，cA5与cA6与Csm6-2的亲和力相当，这提示二者结合能力的差异并非激活效率悬殊的原因，Csm6-2对cA5的偏好可能源于更为精细的构象调控机制。

图1.cA5特异效应蛋白的鉴定

为了从分子层面揭示cA5特异性激活的奥秘，研究团队利用冷冻电镜技术分别解析了Csm6-2的apo状态、cA5结合状态以及cA6结合状态的高分辨率结构（图2）。结构分析揭示了一个非同寻常的组装模式：Csm6-2由两个串联的CARF-HEPN模块组成，其单体通过CARF2结构域间的相互作用形成二聚体，进而组装为同源四聚体。

更为关键的是，Csm6-2与cA5和cA6的结合诱导了截然不同的构象变化。与apo状态相比，cA5结合触发CARF结构域由“开放”构象向“闭合”构象转变，将cA5分子完整包裹其中。在cA6结合状态下，AMP-6的空间位阻导致CARF结构域无法完成闭合。这种构象门控机制完美解释了为何cA5与cA6亲和力相近但激活能力却差别巨大。

图2. Csm6-2分别与cA5和cA6结合状态下的构象比较。

为避免持续激活导致宿主细胞休眠或死亡，许多Csm6蛋白通过CARF降解cOA分子实现自限性调控。有趣的是，Csm6-2的自限性机制与众不同：其CARF结构域不具备cOA降解活性，而是由HEPN结构域负责降解cA5和cA6，结合在CARF结构域中的cOA受到保护而免于被立即降解，从而维持基础水平的免疫监视。

该研究不仅填补了cA5效应蛋白的鉴定空白，完善了III型CRISPR信号传导网络的整体图谱，也为基于cOA信号的人工调控和合成生物学应用提供了全新的分子工具。未来，深入解析Csm6-2在细胞内的真实调控网络、探究cA5信号与其他通路的交互机制，以及发掘更多cOA特异性效应蛋白，将是这一领域值得持续期待的研究方向。

近年来，林忠辉教授团队在III型CRISPR cAn信号通路研究领域取得了一系列创新成果，包括：（1）解析了环寡腺苷酸核酸酶家族首个成员Sso2081及其与cA4复合物的晶体结构，阐明了其识别与分步切割cA4的分子机制（Nucleic Acids Res., 2023）4；（2）解析了自限型核糖核酸酶TtCsm6及其与cA4复合物在不同催化阶段的晶体结构，揭示了cA4如何别构激活Csm6以及Csm6如何通过降解cA4分子实现自失活的分子调控机制（EMBO J, 2024）5；（3）解析了Csx1和Crn2融合蛋白及其与cA4复合物的晶体结构，揭示细菌通过蛋白融合机制实现高效RNA降解及酶活性自我调节的分子基础（Nucleic Acids Res., 2024）6。

福州大学2023级硕士生石如奕和西湖大学2021级硕博连读研究生杨梦泉为共同第一作者，福州大学林忠辉教授和西湖大学高海山研究员为该论文通讯作者。本研究得到了国家高层次青年人才计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金重点项目的专项经费资助。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44318-026-00767-3

参考文献

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