• 发布日期：2025-10-29
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由中国科学院遗传与发育生物学研究所的高彩霞教授领导的研究人员，与清华大学的刘俊杰副教授及中国科学院动物研究所的张勇教授合作，揭示了V型CRISPR-Cas免疫系统起源的分子创新机制。他们于9月29日发表在《细胞》杂志上的研究结果表明，源自转座子的RNA发生功能分裂是驱动V型CRISPR-Cas免疫系统出现的关键创新。

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免疫的分子机制一直不清楚。

为了探究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，该策略结合了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TnpB样CRISPR相关蛋白。通过系统发育分析、基于AlphaFold的结构预测以及功能元件比较，研究人员最终确定了六个中间分支，统称为TranCs，它们构成了特定TnpB谱系的姊妹群。值得注意的是，分支3、11、12、13和14起源于IS605，而先前报道的分支8起源于IS607，它们代表了TnpB和Cas12之间的关键进化中间体。

功能分析揭示了TranCs独特的双向导RNA机制。研究人员发现，五个TranC系统不仅利用其固有的CRISPR RNA进行DNA靶向，还保留了利用转座子衍生的reRNA来指导DNA切割的祖先能力。这种双重指导能力提供了一个功能性标志，表明TranCs是进化中的中间体。

对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，但有一个关键区别：单一的reRNA发生了功能分裂，形成了两个组成部分，即tracrRNA和crRNA。对reRNA和CRISPR RNA的协方差分析以及AlphaFold蛋白质模型比较将这一观察结果扩展到了来自IS605和IS607的三个分支，确立了RNA分裂是Cas12出现的一个共同标志。

重要的是，工程实验证实，人为地分裂TnpB的reRNA足以将TnpB转化为一个能够使用CRISPR阵列作为向导RNA来源的类CRISPR系统。这些结果表明，RNA层面的创新，而非主要的蛋白质结构变化，是驱动V型CRISPR-Cas系统起源的主要分子事件。

这项研究不仅阐明了V型CRISPR系统进化背后的分子机制，而且鉴定出了一组具有灵活向导RNA的紧凑型核酸酶，为开发更小、更通用且更易于控制的CRISPR工具提供了设计原则。