Cell：CRISPRR-Cas13系统的进化之谜揭晓

在与病毒数十亿年的“军备竞赛”中，CRISPR-Cas系统是细菌和古菌所拥有的强大免疫系统。这段特殊的DNA序列能够记录曾遭遇的病毒基因片段，当同一种病毒再次入侵时，细菌的记忆被“唤醒”，它们生成的crRNA分子就会引导Cas蛋白精准识别并切割病毒的DNA或RNA，阻止病毒复制。

由于这样的特性，CRISPR-Cas系统被科学家改造成了一种革命性的基因编辑工具，其中我们最熟悉的当属CRISPR-Cas9。此外，Cas蛋白家族的多个其他成员同样表现出基因编辑的潜力。

其中，与靶向DNA的Cas9不同，Cas13是一类靶向RNA的独特蛋白。它能识别并降解特定的单链RNA，因此在基因表达调控和病毒检测领域备受关注。然而，Cas13的进化起源一直是个谜。Cas13的“祖先”是谁？它如何从原始的生物分子工具，演化为复杂的RNA导向系统？解答这些问题，对于设计更安全、高效的基因编辑工具有着重要意义。

在今日刚刚上线的一篇《细胞》论文中，博德研究所（Broad Institute）张锋教授团队成功还原了CRISPR-Cas13的进化路径，揭示了进化过程中的两项关键改造。这一发现不仅阐明了RNA引导CRISPR系统如何从非RNA引导系统进化而来的机制，也揭示了在宿主与病原体的漫长竞争中，先天免疫系统如何进化为适应性免疫系统。

▲研究示意图（图片来源：参考资料[1]）

为了替Cas13蛋白寻祖，研究团队使用了一种综合了序列与结构的进化追踪方法。借助AlphaFold2的结构预测以及DALI算法对蛋白结构相似性分析，研究团队锁定了目标——一类名为AbiF的蛋白与Cas13高度同源。基于序列的系统发生分析也显示，Cas13很可能从AbiF进化而来。

AbiF是一种毒素-抗毒素（toxin-antitoxin, TA）系统。顾名思义，毒素-抗毒素系统由一种稳定的毒素和一种同源的不稳定抗毒素组成。具体到AbiF，它的毒素部分是HEPN结构域的非特异性RNA酶；抗毒素则是一段非编码RNA（ncRNA），它能形成复杂的双螺旋结构，占据毒素蛋白的活性位点，抑制酶的活性。

AbiF就像是细菌的“自杀开关”，正常情况下，抗毒素RNA可以抑制毒素蛋白，让细菌安然无恙；但当病毒入侵时，细菌会主动降解抗毒素RNA，这时不受约束的毒素就会“毒死”宿主细菌，通过与病毒同归于尽的方式阻止病毒的扩散。

在冷冻电镜下，研究团队进一步揭开了AbiF与Cas13的结构相似性和差异。

一方面，Cas13和它的祖先AbiF一样，也含有HEPN域，并且有着相似的核心螺旋排列方式。只不过，不同于只有一个HEPN域的祖先，Cas13蛋白有两个HEPN域，这也让它们能更高效地结合、切割RNA。

另一方面，AbiF通过抗毒素RNA形成的双螺旋结构占据毒素活性位点的机制，也与Cas13的crRNA引导识别、结合靶点RNA的方式惊人地相似。不同之处在于，AbiF缺乏CRISPR系统的RNA引导模块。

▲AbiF核糖核蛋白复合物结构（图片来源：参考资料[1]）

在从AbiF向Cas13进化的路径上，研究团队还找到了一个进化过渡形态——仅有500个氨基酸、体积只有正常Cas13一半的“迷你”Cas13（命名为Cas13e）。一方面，Cas13e拥有与AbiF类似的抗毒素机制，保留了毒素-抗毒素系统的部分特性；另一方面，Cas13e能利用crRNA引导靶向特定的RNA。因此，这个拥有过渡特征的迷你蛋白，代表了Cas13进化路径上的一个关键节点。

通过对AbiF和Cas13e结构的对比分析，研究团队揭示了进化过程中的两个关键改造。一是安装“导航仪”：在AbiF的原始毒素结构中插入crRNA结合口袋，使毒素拥有了RNA引导能力；另一项改造是加装“安全开关”，新增的调控域（REC）确保Cas13e仅在crRNA与靶RNA配对时激活切割功能，避免误伤宿主RNA。

▲AbiF向Cas13的进化历程（图片来源：参考资料[1]）

综上，该研究首次阐明了CRISPR-Cas13的进化路径：从原始的“自杀式”毒素-抗毒素系统（AbiF），通过插入RNA引导域和调控域，逐步演化为精准的RNA靶向免疫工具。这一发现不仅填补了CRISPR进化历史的空白，也拓宽了我们对原核生物免疫系统各种分子机制的理解，为人工设计可编程RNA的工具提供了进化蓝图。

参考资料：[1] Shai Zilberzwige-Tal et al., Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins. Cell (2025). DOI: 10.1016/j.cell.2025.01.034

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