揭开V型CRISPR系统起源谜团：功能性RNA分裂机制的发现

CRISPR-Cas 系统是存在于原核生物中的适应性免疫系统，通过 CRISPR RNA 指导的切割来防御入侵的核酸。特别是 V 型 CRISPR-Cas (Cas12) 系统，被认为是今天最强大的基因组编辑工具之一，尤其在基础研究、医学和农业方面。

由高彩霞教授领导的中国科学院遗传与发育生物学研究所研究团队，与清华大学的刘俊杰副教授和中国科学院动物研究所的张勇教授合作，已经揭示了导致 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Cell上，显示转座子衍生RNA的功能性分裂现象是推动V型CRISPR-Cas免疫系统出现的关键创新。

之前的研究表明，V型Cas12效应子的祖先蛋白是由IS200/605转座子编码的TnpB核酸酶所组成。然而，转座子活性与CRISPR免疫之间的分子机制仍然不明朗。

为了研究 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。这种策略结合了催化基序、结构域和 TnpB 与 Cas12 核酸酶之间的序列相似性。

通过搜索原核生物基因组和宏基因组数据库，他们发现了 146 种类似 TnpB 的 CRISPR 相关蛋白。利用系统发育分析、基于 AlphaFold 的结构预测和功能元件比较，研究人员最终识别出了六个中间类群，统称为 TranCs，这些类群与特定的 TnpB 系系构成姐妹群。值得注意的是，类群 3、11、12、13 和 14 源自 IS605，而先前报告的类群 8（Cas12n）则源自 IS607，代表了 TnpB 和 Cas12 之间的关键的进化中间体。

功能性测定揭示了一种独特于TranCs的双重引导RNA机制。研究人员发现，五种TranC系统不仅利用其内源性CRISPR RNA（tracrRNA-crRNA杂交体）用于靶向DNA，还保留了利用转座子衍生的reRNA（也称为ωRNA）进行DNA切割的祖先能力。这种双重引导能力提供了一个功能特征，表明TranCs是进化中的一个中间体。

LaTranC-sgRNA-DNA复合物的冷冻电镜分析还揭示了与ISDra2 TnpB-reRNA-DNA复合物之间的惊人相似性，唯一的关键区别在于：单个reRNA已经功能性地分裂成两个部分，tracrRNA和crRNA。reRNA和CRISPR RNA的相关性分析以及AlphaFold蛋白模型比较将这一观察扩展到来自IS605和IS607的三个谱系，确立了RNA分裂是Cas12出现的一个共同特征。

重要的是，工程实验确认，人工切割 TnpB 的 reRNA 足以将 TnpB 转化为一种类似于 CRISPR 的系统，能够将 CRISPR 数组用作引导 RNA 的来源。这些结果表明，RNA 层面的创新，而不是主要的蛋白质结构变化，是推动 V 型 CRISPR-Cas 系统起源的关键分子事件。