CRISPR-Cas 系統(tǒng)是細菌和古菌的適應性免疫系統(tǒng)，能夠抵御病毒和可移動遺傳元件的入侵。盡管 CRISPR-Cas9 和 CRISPR-Cas12 系統(tǒng)的 DNA 靶向機制已經被廣泛研究，但 RNA 靶向的 CRISPR-Cas13 系統(tǒng)的進化起源，目前仍然不清楚。
2025年2月18日，張鋒團隊在國際頂尖學術期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins 的研究論文。
該研究通過混合結構和序列進化追蹤方法，揭示了 RNA 靶向的 CRISPR-Cas13 系統(tǒng)可能起源于一種古老的 RNA 毒素-抗毒素（TA）系統(tǒng)，特別是 AbiF 系統(tǒng)。該研究不僅提供了對 CRISPR 系統(tǒng)進化的新見解，還為理解 RNA 引導機制在免疫系統(tǒng)中的多樣性提供了重要線索。
CRISPR-Cas13 系統(tǒng)包含兩個 HEPN（高等真核生物和原核生物核苷酸結合）超家族的核酸酶結構域，這些結構域廣泛存在于原核生物的防御系統(tǒng)中。
在這項最新研究中，研究團隊通過混合結構和序列搜索，通過 AlphaFold2 等深度學習工具預測蛋白質結構，并結合 DALI 等算法進行結構相似性比較，從而識別出 Cas13 的祖先，發(fā)現(xiàn) Cas13 可能起源于 AbiF 系統(tǒng)。AbiF（Abortive Infection Protein F）是一種與流產感染相關基因編碼的毒素-抗毒素系統(tǒng)（toxin-antitoxin system，簡稱為 TA），其抗毒素是一種非編碼 RNA（ncRNA），能夠抑制 RNA 毒素的活性。
研究團隊還發(fā)現(xiàn)了一種中間系統(tǒng) Cas13e，它同時具有 CRISPR 和 TA 系統(tǒng)的生化特性，Cas13e 是一種 RNA 引導的 RNA 靶向系統(tǒng)，而 AbiF 則是一種帶有 RNA 抗毒素的 TA 系統(tǒng)。AbiF 系統(tǒng)的作用機制與 CRISPR 系統(tǒng)不同，ncRNA 抗毒素通過阻斷 AbiF 的核酸酶活性位點來抑制其活性。Cas13e 的進化地位處于 AbiF 與其他已知 Cas13 之間。
研究團隊進一步驗證了 Cas13e 的功能，發(fā)現(xiàn)它能夠結合 crRNA 并具有 RNA 引導的 RNA 切割活性。Cas13e 在結合 crRNA 后表現(xiàn)出非特異性的 RNA 切割活性，類似于 Cas13a/b/c/d 系統(tǒng)。
通過序列和結構的比較，研究團隊重建了從 AbiF 到 Cas13 的進化路徑。AbiF 基因首先發(fā)生復制，產生了具有額外結構域插入的雙 HEPN 核酸酶。復制的蛋白質逐漸失去了與順式編碼的 ncRNA 抗毒素的相互作用，轉而與 CRISPR RNA（crRNA）相互作用，最終演變?yōu)榱?RNA 引導的 CRISPR 系統(tǒng)。
也就是說，AbiF 作為一種與流產感染（abortive infection）機制相關的毒素-抗毒素（TA）系統(tǒng)蛋白，與非編碼 RNA（ncRNA）形成穩(wěn)定復合物，作為原始防御系統(tǒng)通過誘導宿主細胞休眠/死亡來阻止感染（例如噬菌體感染）的擴散，而 CRISPR-Cas13 系統(tǒng)在其基礎上進化出了可編程的 RNA 靶向能力。
在這些發(fā)現(xiàn)的基礎上，研究團隊提出了一個進化模型，揭示了非 RNA 引導的毒素核酸酶（AbiF系統(tǒng)）如何進化為 RNA 引導的 CRISPR 系統(tǒng)（CRISPR-Cas13系統(tǒng)）。
● AbiF基因的復制和雙 HEPN 核酸酶的形成；
● 插入新的RNA結合域（例如REC域），使得系統(tǒng)能夠識別 crRNA 和靶 RNA 的雙鏈結構；
● 從 TA 系統(tǒng)到 CRISPR 系統(tǒng)的完全轉變，Cas13e 作為中間系統(tǒng)，保留了 TA 系統(tǒng)和 CRISPR 系統(tǒng)的特性。
這些發(fā)現(xiàn)表明，與 CRISPR-Cas9 和 Cas12 系統(tǒng)不同，Cas13 的進化路徑似乎是一個獨特事件。AbiF 雖然與 ncRNA 相互作用，但并不使用 ncRNA 引導，因此從 AbiF 到 RNA 引導的 CRISPR 系統(tǒng)的轉變更具挑戰(zhàn)性。這項研究揭示了 RNA 引導機制如何從非 RNA 引導的毒素核酸酶進化而來，拓寬了我們對原核生物 RNA 免疫系統(tǒng)多樣性的理解。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00103-5
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