中科院高彩霞等人Cell发文：揭示V型CRISPR系统起源背后的功能性RNA分裂机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员领导的科研团队与合作者共同揭示了导致V型CRISPR-Cas免疫系统起源的分子创新。

CRISPR-Cas系统是原核生物中发现的适应性免疫系统，通过CRISPR RNA引导的切割来防御入侵的核酸。尤其是V型CRISPR-Cas（Cas12）系统，它是当今最强大的基因组编辑工具之一，尤其在基础研究、医学和农业领域。 

由遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员领导的研究人员，与清华大学刘俊杰副教授和中国科学院动物研究所张勇研究员合作，现已揭示了导致 V 型 CRISPR-Cas 免疫系统起源的分子创新。

他们的研究结果于 9 月 29 日发表在《细胞》杂志上，表明转座子衍生 RNA 的功能分裂是推动 V 型 CRISPR-Cas 免疫出现的关键创新。

先前的研究表明，V型Cas12效应蛋白的祖先蛋白是由IS200/605转座子编码的TnpB核酸酶。然而，连接转座子活性和CRISPR免疫的分子机制尚不清楚。

为了解决 V 型 CRISPR-Cas 系统的起源，研究人员开发了一种统一的挖掘策略，结合了 TnpB 和 Cas12 核酸酶之间共享的催化基序、结构域和序列相似性。

通过搜索原核生物基因组和宏基因组数据库，他们鉴定出146个类似TnpB的CRISPR相关蛋白。通过系统发育分析、基于AlphaFold的结构预测和功能元件比较，研究人员最终鉴定出六个中间进化枝，统称为TranC，它们与特定的TnpB谱系形成姊妹群。值得注意的是，进化枝3、11、12、13和14源自IS605，而先前报道的进化枝8（Cas12n）源自IS607，代表了TnpB和Cas12之间的关键进化中间体。

功能分析揭示了TranCs独有的双引导RNA机制。研究人员发现，五种TranC系统不仅利用其固有的CRISPR RNA（tracrRNA-crRNA杂合体）进行DNA靶向，还保留了利用转座子衍生的reRNA（也称为ωRNA）指导DNA切割的祖先能力。这种双引导能力提供了一个功能特征，表明TranCs是进化的中间体。

LaTranC-sgRNA-DNA复合物的冷冻电镜分析也揭示了其与ISDra2 TnpB-reRNA-DNA复合物惊人的相似性，但有一个关键的区别：单个reRNA经历了功能性分裂，分为两个组分：tracrRNA和crRNA。reRNA和CRISPR RNA协方差分析以及AlphaFold蛋白质模型比较将这一观察结果扩展到IS605和IS607的三个进化枝，从而确立了RNA分裂是Cas12出现的共同特征。

重要的是，工程实验证实，人工切割TnpB的reRNA足以将TnpB转化为类似CRISPR的系统，该系统能够利用CRISPR阵列作为向导RNA的来源。这些结果表明，RNA水平的创新，而非主要的蛋白质结构变化，才是驱动V型CRISPR-Cas系统起源的主要分子事件。

该研究不仅对于阐明V型CRISPR系统进化背后的分子机制具有重要意义，而且对于鉴定一组具有灵活引导RNA的紧凑型核酸酶，为开发更小、更通用、更易于控制的CRISPR工具提供设计原则。