Prokaryotic type III CRISPR-Cas systems provide immunity against viruses and plasmids using CRISPR-associated Rossman fold (CARF) protein effectors1-5. Recognition of transcripts of these invaders with sequences that are complementary to CRISPR RNA guides leads to the production of cyclic oligoadenylate second messengers, which bind CARF domains and trigger the activity of an effector domain6,7. Whereas most effectors degrade host and invader nucleic acids, some are predicted to contain transmembrane helices without an enzymatic function. Whether and how these CARF-transmembrane helix fusion proteins facilitate the type III CRISPR-Cas immune response remains unknown. Here we investigate the role of cyclic oligoadenylate-activated membrane protein 1 (Cam1) during type III CRISPR immunity. Structural and biochemical analyses reveal that the CARF domains of a Cam1 dimer bind cyclic tetra-adenylate second messengers. In vivo, Cam1 localizes to the membrane, is predicted to form a tetrameric transmembrane pore, and provides defence against viral infection through the induction of membrane depolarization and growth arrest. These results reveal that CRISPR immunity does not always operate through the degradation of nucleic acids, but is instead mediated via a wider range of cellular responses.

Abstract Structural maintenance of chromosomes (SMC) complexes are critical chromatin modulators. In eukaryotes, the cohesin and condensin SMC complexes organize chromatin, while the Smc5/6 complex directly regulates DNA replication and repair. The molecular basis for Smc5/6’s distinct functions is currently poorly understood. Here, we report an integrative structural study of the budding yeast Smc5/6 complex using electron microscopy, cross-linking mass spectrometry, and computational modeling. We show that while the complex shares a similar overall organization with other SMC complexes, it possesses several unique features. In contrast to the reported folded-arm structures of cohesin and condensin, our data suggest that Smc5 and Smc6 arm regions do not fold back on themselves. Instead, these long filamentous regions interact with subunits uniquely acquired by the Smc5/6 complex, namely the Nse2 SUMO ligase and the Nse5-Nse6 subcomplex. Further, we show that Nse5-Nse6 subcomplex adopts a novel structure with an extensive dimerization interface and multiple domains contacting other subunits of the Smc5/6 complex. We also provide evidence that the Nse5-Nse6 module uses its SUMO-binding motifs to contribute to Nse2-mediated sumoylation. Collectively, our integrative multi-scale study identifies distinct structural features of the Smc5/6 complex and functional cooperation amongst its co-evolved unique subunits.

The DNA double-strand breaks that initiate meiotic recombination are formed by topoisomerase relative Spo11, supported by conserved auxiliary factors. Because high-resolution structural data are lacking, many questions remain about the architecture of Spo11 and its partners and how they engage with DNA. We report cryo-EM structures at up to 3.3 Å resolution of DNA-bound core complexes of Saccharomyces cerevisiae Spo11 with Rec102, Rec104, and Ski8. In these structures, monomeric core complexes make extensive contacts with the DNA backbone and with the recessed 39-OH and first 59 overhanging nucleotide, definitively establishing the molecular determinants of DNA end-binding specificity and providing insight into DNA cleavage preferences in vivo. The structures of individual subunits and their interfaces, supported by functional data in yeast, provide insight into the role of metal ions in DNA binding and uncover unexpected structural variation in homologs of the Top6BL component of the core complex.