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成簇有规律间隔的短回文重复序列（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats，CRISPR）和它的辅助蛋白(CRISPR-associated，Cas)构成了原核生物一个重要的适应性免疫系统，即CRISPR-Cas系统。其防御过程主要由三个阶段构成:适应阶段、表达阶段和干扰阶段。在适应阶段，核心蛋白Cas1和Cas2负责从入侵者的基因中获取信息，并将其“记录”到自身的CRISPR位点。获取的序列信息会被转录并加工成为crRNA，进而引导Cas蛋白进行干扰过程。然而，适应阶段中核心蛋白如何特异性识别并获取入侵者的基因信息的作用机制却有待进一步研究。 在本课题中，利用X-射线晶体学的研究方法，通过对不同形式的底物DNA的筛选，制备并解析了大肠杆菌来源的Cas1-Cas2与不同底物DNA复合物的高分辨晶体结构。我们发现获取复合物是由四个Cas1和两个Cas2分子构成的对称结构，Cas1-Cas2复合物结构特异性的识别两端带叉的DNA，并通过这种结构特异性的结合区分自身与外源的DNA，从而避免自身免疫原性。 该复合物通过两个Cas1中的酪氨酸(Y22)的堆积作用固定了底物中23bp的双链部分，结合Cas1-Cas2蛋白切割底物的活性实验，证明获取复合物可以从23bp双链两侧分别切割并保留5nt的3-overhang，以“5+23+5”的方式，在底物被插入整合到CRISPR位点前，就度量了其恒定的33bp长度。 为了探究获取阶段可以通过序列特异性识别的PAM(Protospacer-adjacent Motif)的识别机制，根据寻找到的底物结构特征，我们在3-overhang引入了PAM相关序列，并解析了Cas1-Cas2-dual-forked DNA(PAM1)的晶体结构。从而，确定了Cas1分子是如何通过其C端活性口袋内的氨基酸，以碱基特异性的方式，识别PAM的互补序列CTT。所以，我们的研究揭示了Cas1蛋白序列特异性识别PAM互补序列的分子机制。 综上所述，我们基于对Cas1-Cas2与不同底物DNA的晶体结构的分析及相关功能实验的辅助，确定了核心蛋白Cas1与Cas2特异性地同时识别底物DNA的结构与序列特征的作用机制;并通过自身的结构基础，决定了底物的长度，通过“切割-粘贴”的方式将其插入到自身基因组中。因此，为CRISPR-Cas系统中依赖于PAM识别进行的间隔序列获取阶段的机制研究提供了重要的信息。