Cas1
Cas1（CRISPR-associated protein 1）是 CRISPR 系统中最古老、最保守的核心蛋白，被誉为细菌免疫系统的“档案管理员”或“整合酶”。它是 CRISPR 适应性免疫建立的第一步——间隔序列获取 (Spacer Acquisition) 的绝对关键执行者。
Cas1 通常与 Cas2 形成异源多聚体复合物（Cas1-Cas2 integrase），该复合物能够从入侵的噬菌体或质粒中捕获特定的 DNA 片段（原间隔序列），并将其精准地定向插入到细菌基因组的 CRISPR array 引导序列（Leader）之后。Cas1 的存在是判断一个基因座是否为活跃 CRISPR 系统的金标准，因为它不仅负责“写入”新的免疫记忆，在进化上还与转座子的转座酶（Casposon）有深厚的渊源。
分子机制：精密的分子手术
Cas1 的工作不仅仅是简单的切割，它执行的是一种类似于“剪切-粘贴”的精密基因组编辑操作，称为整合 (Integration)。
- 1. 复合物组装： 单独的 Cas1 或 Cas2 活性很低。在大多数 CRISPR 系统中（如大肠杆菌 Type I-E），4 个 Cas1 分子和 2 个 Cas2 分子组装成蝴蝶状的异源六聚体 (Cas1)₄-(Cas2)₂。Cas2 充当支架，而 Cas1 提供主要的催化活性。
- 2. 底物捕获： Cas1-Cas2 复合物识别并结合外源 DNA 片段（Protospacer），通常将其加工成特定长度（约 30-33 bp），且两端带有 3'-OH 悬垂结构，这是后续亲核攻击的关键。
- 3. 定向整合： 复合物识别 CRISPR 阵列中的 Leader sequence 和第一个重复序列（Repeat）的交界处。Cas1 利用外源 DNA 的 3'-OH 末端对基因组 DNA 进行两次连续的转酯反应（亲核攻击），将新间隔序列插入，导致第一个重复序列复制，从而保持“重复-间隔-重复”的结构完整。
进化地位：CRISPR 的“身份证”
在繁杂的 CRISPR-Cas 系统分类中，Cas1 具有特殊的地位。
| 特征 | 描述 | 意义 |
|---|---|---|
| 广泛分布 | 几乎存在于所有 6 类 (Types I-VI) CRISPR 系统中。 | 是生物信息学挖掘新 CRISPR 系统的首选标记基因。 |
| Casposon 起源 | 与 Casposon 转座酶高度同源。 | 证明 CRISPR 免疫系统起源于可移动遗传元件（转座子）。 |
| 逆转录活性 | 在 Type III (RT-Cas1) 系统中融合了逆转录酶。 | 使细菌能够直接从 RNA（如 RNA 病毒）中获取记忆。 |
新兴应用：DNA 录音机
- 分子记录 (Molecular Recording)： 利用 Cas1-Cas2 能够按时间顺序将 DNA 片段插入阵列的特性，科学家将其开发为“细胞录音机”（如 TRACE 系统）。通过给细胞提供特定的 DNA 序列作为“信号”，Cas1 就会将其记录在基因组中，通过测序即可解读细胞的历史经历。
- DNA 存储： 哈佛大学 George Church 团队利用 Cas1-Cas2 系统将一部电影（GIF 动图）编码到大肠杆菌的基因组中，展示了活体 DNA 数据存储的潜力。
学术参考文献 [Academic Review]
[1] Nuñez JK, et al. (2014). Cas1–Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR–Cas adaptive immunity. Nature Structural & Molecular Biology.
[点评]：Jennifer Doudna 团队解析了 Cas1-Cas2 复合物的晶体结构，揭示了其作为整合酶的分子基础。
[2] Nuñez JK, et al. (2015). Integrase-mediated spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity. Nature.
[点评]：进一步阐明了 Cas1-Cas2 如何识别原间隔序列的 PAM 位点以及如何通过亲核攻击将 DNA 插入基因组。
[3] Shipman SL, et al. (2017). CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria. Nature.
[点评]：展示了 Cas1-Cas2 在合成生物学中的惊人应用，将数字信息存储在活细胞中。