中科院学者最新发文：CRISPR-Cas“护卫RNA”起源之谜

风靡全球的“基因魔剪”CRISpR-Cas9起源于科学家们对微生物中一种特殊的免疫系统（即CRISpR-Cas系统）的研究。CRISpR-Cas广泛分布于细菌和古菌中，可以对病毒和质粒等遗传元件产生适应性免疫。当外源病毒入侵时，Cas蛋白可从病毒获取特定的DNA序列插入到CRISpR结构中形成新的spacer单元，形成对入侵病毒的永久性“记忆”。含有新spacer的序列经过转录加工后产生成熟的crRNA，可指导Cas蛋白特异地降解再次入侵的病毒，从而作为适应性免疫系统保护宿主细胞。然而，CRISpR-Cas系统在长期进化过程中也会对宿主细胞造成适合度代价（fitness cost），如具有自我免疫的风险、阻碍外源有益基因获取等，从而导致CRISpR-Cas的频繁丢失。因此，CRISpR-Cas系统如何能在微生物中广泛存在（存在于约90%的古菌和50%细菌中）并发挥功能，是长期困扰科学家们的一个重要科学问题。

今年4月，中国科学院微生物研究所向华/李明团队在国际著名学术期刊《Science》报道了一类全新的对CRISpR-Cas系统具护卫功能的双RNA型的毒素-抗毒素系统CreTA（CRISpR-regulated Toxin-Antitoxin），首次回答了这一重要科学问题并揭示了其精巧的分子机制。很快，该“护卫RNA系统”（CreTA）的起源及其在生物进化中的意义引起了学界的关注。美国科学促进会会员Jim Maher教授认为该研究揭示的细节非常有趣和引人注目，尤其是CRISpR偶联毒素-抗毒素这一“自私”特性的发现，表明CRISpR免疫系统会在进化中惩罚无意间丢弃它们的宿主，是很好的教科书素材（《Faculty Opinions》推荐）。8月8日，遗传与进化学者Scott W Roy博士更是聚焦这一重要发现在《Trends in Microbiology》上发表了专题评述，认为该研究为理解自私基因在生物复杂性演化机制方面提供了一个迷人的例子：基于RNA且依赖于Cas蛋白的全新毒素-抗毒素系统（TA）系统的发现，将激发人们重新认识和深入发掘TA系统的多样性，而这些更广意义上的“成瘾”或“自私”元件在生物进化中如何保护基因元件、促进新细胞功能的演化将是重要的新命题。

近日，向华/李明团队又在国际知名学术期刊Nucleic Acids Research上报道了他们的最新研究进展，揭示了CreTA系统的进化起源——来源于高度退化和异化的mini-CRISpR结构。该团队通过系统分析大量细菌和古菌的CreTA发现，大部分抗毒素基因creA有两个CRISpR repeat-like序列，有意思的是，这两个repeat高度退化并在序列上有较大差异，这使得creA基因很难发现和预测，也难以将其定义为mini-CRISpR结构。然而，他们通过结合遗传学实验和高通量测序技术证实，这些退化的repeat仍然保留了Cas6核酸酶识别和加工的关键碱基，因此，大部分的CreA RNA竟然具有与crRNA几乎一致的分子架构（固定长度的5’-手柄和3’-手柄），从而揭示了CreTA系统由mini-CRISpR高度退化而来的进化起源（图1）。这一发现也将为CreTA的系统性预测和分析提供重要线索和新参数。

图1. 由mini-CRISpR到creA的演化模型

（Nucleic Acids Research, doi: 10.1093/nar/gkab821）

在这项最新研究中，该团队还发现一类通过劫持稀有的异亮氨酸tRNA产生细胞毒性的新型CreT RNA。这一新型毒素与他们在Science工作中报道的西班牙盐盒菌CreT同样具有携带两个连续稀有密码子的mini-ORF和一个保守的茎环结构。有意思的是，通过将前者的两个异亮氨酸密码子替换成后者携带的精氨酸密码子，可以改造其靶向性，使其劫持稀有的精氨酸tRNA而产生细胞毒性。因此，该团队认为通过劫持特定的稀有tRNA抑制细胞活性是许多CreT这种RNA型毒素的趋同策略，这将为分子工具开发和基因工程应用等提供重要元件和新思路。

上述研究成果已于2021年9月22日在Nucleic Acids Research上在线发表，中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室博士生程飞跃、工程师禹海英和成都医学院副教授王锐为该论文的并列第一作者，微生物研究所李明研究员和向华研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中科院战略先导研究计划和中国科学院青年创新促进会等项目的经费支持。