INTRODUCTION Almost all archaea and about half of bacteria possess clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR)–CRISPR-associated genes (Cas) adaptive immune systems, which protect microbes against viruses and other foreign DNA. All functionally characterized CRISPR systems have been reported to target DNA, with some multicomponent type III systems also targeting RNA. The putative class 2 type VI system, which has not been functionally characterized, encompasses the single-effector protein C2c2, which contains two Higher Eukaryotes and Prokaryotes Nucleotide-binding (HEPN) domains commonly associated with ribonucleases (RNases), suggesting RNA-guided RNA-targeting function. RATIONALE Existing studies have only established a role for RNA interference, in addition to DNA interference, in the multicomponent type III-A and III-B systems. We investigated the possibility of C2c2-mediated RNA inference by heterologously expressing C2c2 locus from Leptotrichia shahii (LshC2c2) in the model system Escherichia coli. The ability of LshC2c2 to protect against MS2 single-stranded RNA (ssRNA) phage infection was assessed by using every possible spacer sequence against the phage genome. We next developed protocols to reconstitute purified recombinant LshC2c2 protein and test its biochemical activity when incubated with its mature CRISPR RNA (crRNA) and target ssRNA. We systematically evaluated the parameters necessary for cleavage. Last, to demonstrate the potential utility of the LshC2c2 complex for RNA targeting in living bacterial cells, we guided it to knockdown red fluorescent protein (RFP) mRNA in vivo. RESULTS This work demonstrates the RNA-guided RNase activity of the putative type VI CRISPR-effector LshC2c2. Heterologously expressed C2c2 can protect E. coli from MS2 phage, and by screening against the MS2 genome, we identified a H (non-G) protospacer flanking site (PFS) following the RNA target site, which was confirmed by targeting a complementary sequence in the β-lactamase transcript followed by a degenerate nucleotide sequence. Using purified LshC2c2 protein, we demonstrate that C2c2 and crRNA are sufficient in vitro to achieve RNA-guided, PFS-dependent RNA cleavage. This cleavage preferentially occurs at uracil residues in ssRNA regions and depends on conserved catalytic residues in the two HEPN domains. Mutation of these residues yields a catalytically inactive RNA-binding protein. The secondary structure of the crRNA direct repeat (DR) stem is required for LshC2c2 activity, and mutations in the 3′ region of the DR eliminate cleavage activity. Targeting is also sensitive to multiple or consecutive mismatches in the spacer:protospacer duplex. C2c2 targeting of RFP mRNA in vivo results in reduced fluorescence. The knockdown of the RFP mRNA by C2c2 slowed E. coli growth, and in agreement with this finding, in vitro cleavage of the target RNA results in “collateral,” nonspecific cleavage of other RNAs present in the reaction mix. CONCLUSION LshC2c2 is a RNA-guided RNase which requires the activity of its two HEPN domains, suggesting previously unidentified mechanisms of RNA targeting and degradation by CRISPR systems. Promiscuous RNase activity of C2c2 after activation by the target slows bacterial growth and suggests that C2c2 could protect bacteria from virus spread via programmed cell death and dormancy induction. A single-effector RNA targeting system has the potential to serve as a general chassis for molecular tools for visualizing, degrading, or binding RNA in a programmable, multiplexed fashion. C2c2 is an RNA-guided RNase that provides protection against RNA phage. CRISPR-C2c2 from L. shahii can be reconstituted in E. coli to mediate RNA-guided interference of the RNA phage MS2. Biochemical characterization of C2c2 reveals crRNA-guided RNA cleavage facilitated by the two HEPN nuclease domains. Binding of the target RNA by C2c2-crRNA also activates a nonspecific RNase activity, which may lead to promiscuous cleavage of RNAs without complementarity to the crRNA guide sequence.

Microbial CRISPR-Cas systems are divided into Class 1, with multisubunit effector complexes, and Class 2, with single protein effectors. Currently, only two Class 2 effectors, Cas9 and Cpf1, are known. We describe here three distinct Class 2 CRISPR-Cas systems. The effectors of two of the identified systems, C2c1 and C2c3, contain RuvC-like endonuclease domains distantly related to Cpf1. The third system, C2c2, contains an effector with two predicted HEPN RNase domains. Whereas production of mature CRISPR RNA (crRNA) by C2c1 depends on tracrRNA, C2c2 crRNA maturation is tracrRNA independent. We found that C2c1 systems can mediate DNA interference in a 5′-PAM-dependent fashion analogous to Cpf1. However, unlike Cpf1, which is a single-RNA-guided nuclease, C2c1 depends on both crRNA and tracrRNA for DNA cleavage. Finally, comparative analysis indicates that Class 2 CRISPR-Cas systems evolved on multiple occasions through recombination of Class 1 adaptation modules with effector proteins acquired from distinct mobile elements.

Abstract

 The X-ray crystal structure of Thermus aquaticus core RNA polymerase reveals a "crab claw"–shaped molecule with a 27 Å wide internal channel. Located on the back wall of the channel is a Mg²⁺ ion required for catalytic activity, which is chelated by an absolutely conserved motif from all bacterial and eukaryotic cellular RNA polymerases. The structure places key functional sites, defined by mutational and cross-linking analysis, on the inner walls of the channel in close proximity to the active center Mg²⁺. Further out from the catalytic center, structural features are found that may be involved in maintaining the melted transcription bubble, clamping onto the RNA product and/or DNA template to assure processivity, and delivering nucleotide substrates to the active center.

Type VI CRISPR-Cas systems are the only CRISPR variety that cleaves exclusively RNA 1,2 . In addition to the CRISPR RNA (crRNA)-guided, sequence-specific binding and cleavage of target RNAs, such as phage transcripts, the type VI effector, Cas13, causes collateral RNA cleavage, which induces bacterial cell dormancy, thus protecting the host population from phage spread 3,4 . We show here that the principal form of collateral RNA degradation elicited by Cas13a protein from Leptotrichia shahii upon target RNA recognition is the cleavage of anticodons of multiple tRNA species, primarily those with anticodons containing uridines. This tRNA cleavage is necessary and sufficient for bacterial dormancy induction by Cas13a. In addition, Cas13a activates the RNases of bacterial toxin-antitoxin modules, thus indirectly causing mRNA and rRNA cleavage, which could provide a back-up defense mechanism. The identified mode of action of Cas13a resembles that of bacterial anticodon nucleases involved in antiphage defense 5 , which is compatible with the hypothesis that type VI effectors evolved from an abortive infection module 6,7 encompassing an anticodon nuclease.

Abstract Thermus thermophilus bacteriophage P23-45 encodes a giant 5,002-residue tail tape measure protein (TMP) 1 that defines the length of its extraordinarily long 800 nm tail 2,3 . We found that the N-terminal portion of P23-45 TMP is an unusual RNA polymerase (RNAP) homologous to cellular and viral ‘two-barrel’ RNAPs. The TMP-fused virion RNAP transcribes pre-early phage genes, including a gene that encodes another, non-virion RNAP, that transcribes early and some middle phage genes. We determined the crystal structures of both P23-45 RNAPs. The non-virion RNAP has a crab claw-like architecture similar to previously reported two-barrel RNAPs. The virion RNAP adopts a unique flat structure without a clamp, which likely reflects the requirement for its extrusion through the narrow channel in the phage tail for delivery into the cell. Structure and sequence comparisons of the P23-45 RNAPs with other phage and cellular RNAPs suggest that, despite the extensive functional differences, the two P23-45 RNAPs originate from an ancient gene duplication in an ancestral phage. Our findings demonstrate remarkable adaptability of two-barrel RNAPs that can be attained within a single virus species.

CrAss-like phages are a recently described family-level group of viruses that includes the most abundant virus in the human gut. Genomes of all crAss-like phages encode a large virion-packaged protein that contains a DFDxD sequence motif, which forms the catalytic site in cellular multisubunit RNA polymerases (RNAPs). Using Cellulophaga baltica crAss-like phage phi14:2 as a model system, we show that this protein is a novel DNA-dependent RNAP that is translocated into the host cell along with the phage DNA and transcribes early phage genes. We determined the crystal structure of this 2,180-residue enzyme in a self-inhibited, likely pre-virion-packaged state. This conformation is attained with the help of a Cleft-blocking domain that interacts with the active site motif and occupies the RNA-DNA hybrid binding grove. Structurally, phi14:2 RNAP is most similar to eukaryotic RNAPs involved in RNA interference, although most of phi14:2 RNAP structure (nearly 1,600 residues) maps to a new region of protein folding space. Considering the structural similarity, we propose that eukaryal RNA interference polymerases take their origin in a phage, which parallels the emergence of the mitochondrial transcription apparatus.

The CRISPR-Cas adaptive immune system defends microbes against foreign genetic elements via DNA or RNA-DNA interference. We characterize the Class 2 type VI-A CRISPR-Cas effector C2c2 and demonstrate its RNA-guided RNase function. C2c2 from the bacterium Leptotrichia shahii provides interference against RNA phage. In vitro biochemical analysis show that C2c2 is guided by a single crRNA and can be programmed to cleave ssRNA targets carrying complementary protospacers. In bacteria, C2c2 can be programmed to knock down specific mRNAs. Cleavage is mediated by catalytic residues in the two conserved HEPN domains, mutations in which generate catalytically inactive RNA-binding proteins. These results broaden our understanding of CRISPR-Cas systems and suggest that C2c2 can be used to develop new RNA-targeting tools.

Abstract DNA double-strand breaks (DSBs) present a critical threat to genomic integrity, often precipitating genomic instability and oncogenesis. Repair of DSBs predominantly occurs through homologous recombination (HR) and non-homologous end joining (NHEJ). In HR-deficient cells, DNA polymerase theta (Polθ) becomes critical for DSB repair via microhomology-mediated end joining (MMEJ), also termed theta-mediated end joining (TMEJ). Thus, Polθ is synthetically lethal with BRCA1/2 and other HR factors, underscoring its potential as a therapeutic target in HR-deficient cancers. However, the molecular mechanisms governing Polθ-mediated MMEJ remain poorly understood. Here we present a series of cryo-electron microscopy structures of the Polθ helicase domain (Polθ-hel) in complex with DNA containing 3′-overhang. The structures reveal the sequential conformations adopted by Polθ-hel during the critical phases of DNA binding, microhomology searching, and microhomology annealing. The stepwise conformational changes within the Polθ-hel subdomains and its functional dimeric state are pivotal for aligning the 3′-overhangs, facilitating the microhomology search and subsequent annealing necessary for DSB repair via MMEJ. Our findings illustrate the essential molecular switches within Polθ-hel that orchestrate the MMEJ process in DSB repair, laying the groundwork for the development of targeted therapies against the Polθ-hel.