细菌和古菌中的CRISPR-Cas系统（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat (CRISPR)-associated systems）为宿主提供基于小RNA的对外来入侵遗传元件的防御功能，属于获得性免疫系统。该系统表达由Cas蛋白以及CRISPR (cr)RNAs组装而成的效应子，经过：（1）获取（adaptation）、（2）表达和crRNA处理（expression and crRNA processing）以及（3）干涉（interference）三个阶段完成对入侵遗传元件的清除。根据效应子组成，CRISPR-Cas系统分六种类型，其中I、III和IV型的效应子含多个Cas蛋白亚基，而II、V和VI型则只包含单一多功能蛋白。自发现以来，CRISPR-Cas系统引领了生物学界遗传操作等领域的一系列技术变革，不同类型CRISPR-Cas系统的分子机制受到了广泛关注。

硫化叶菌目（Sulfolobales）属于泉古菌门（Crenarchaea），其成员为嗜酸热古菌，往往同时包含I型和III型等不同类型的CRISPR-Cas系统。过去十余年间，硫化叶菌目的两个物种-硫磺矿硫化叶菌（Saccharolobus solfataricus）和冰岛硫化叶菌（Sulfolobus islandicus）在古菌CRISPR系统的研究中成为了重要的模式生物，为相关知识的获取创造了有利条件。长期以来，原丹麦哥本哈根大学古菌中生物学中心主任，现山东大学微生物国重室CRISPR与古菌生物学中心主任佘群新教授领衔的科研团队以硫化叶菌为研究材料开展了大量关于CRISPR系统的研究工作，相关成果极大的拓展了人们对CRISPR系统抗病毒防御功能及其三个作用阶段的具体分子机制的了解。为了总结相关进展并为将来的研究指明方向，佘教授团队于Science China Life Science期刊发表了题为“CRISPR-Cas adaptive immune systems in Sulfolobales: genetic studies and molecular mechanisms”的综述论文，系统的回顾了关于这两种菌株的CRISPR系统的研究历程。

冰岛硫化叶菌I-A型和III-B Cmr-α型CRISPR-Cas系统的抗病毒防御的分子机制示意图

在本论文中，我们首先系统的总结了硫化叶菌模式菌株中CRISPR-Cas系统的构成以及分类，然后按照CRISPR系统介导的免疫过程中的三个不同阶段，即获取、表达和crRNA处理以及干涉，详细介绍了对硫化叶菌中不同类型CRISPR系统的分子机制进行研究所采用的研究策略、实验手段以及目前取得的成果与进展。实验方法着重介绍了分别对揭示硫化叶菌I-A型以及III-B型CRISPR系统的体内干涉功能具有重要推动作用的质粒干涉法（Plasmid interference assay）和报告基因分析法（Reporter gene assay）。关于研究进展，详细介绍了利用硫化叶菌作为模式菌株所揭示的CRISPR系统的作用机制，包括I-A型系统PAM依赖型的dsDNA干涉机制，III-B型系统的转录依赖型的RNA与DNA双重干涉机制，III-B型系统介导的由cOA信号分子的合成激活的Csx1的RNA切割活性， 以及III-B型系统干涉活性的时空调控机制。在此基础上，我们还总结了硫化叶菌CRISPR系统相关研究中尚未解决的问题，包括究竟是什么信号激活了CRISPR系统对新spacer的获取？I-A型效应子的组成及其干涉活性的分子机制是怎样的？以及针对III-B型系统复杂的干涉活性有没有可能存在多种以不同方式发挥功能的anti-CRISPR（Acr）蛋白等等。这一工作为硫化叶菌CRISPR系统的下一步研究提供了指引，有利于进一步揭示微生物与病毒之间的相互对抗与共同进化关系。

佘群新团队的于振霄博士为该论文的第一作者，佘群新教授为该论文的通讯作者。佘群新团队的研究生蒋素平、王媛、田旭辉、赵鹏鹏，科研助理徐佳楠以及博士后冯明霞都参与了这项工作。山东大学微生物技术国家重点实验室为第一作者单位和通讯作者单位。

该研究得到了中华人民共和国科技部国家科技重大专项、国家自然科学基金和青岛博士后应用项目资助等基金的支持。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11427-020-1745-0