Nat Microbiol | 季泉江课题组发现激活超小型基因编辑系统的分子开关

细菌与噬菌体之间的共同 演化 通常表现为激烈的“军备竞赛” 。例如， 细菌 通过 CRISPR-Cas系统来抵御外来 噬菌体 入侵，而噬菌体则 利用Anti-CRISPR 蛋白来抑制这种免疫反应（图1）。然而， 在这场攻防博弈中， 噬菌体是否会装备CRISPR -Ca s系统，并“反向利用”细菌体内蛋白 进行功能 激活 ？ 这一独特的机制此前鲜有报道。

2026年1月2 日， 上海科技大学 物质科学与技术学院季泉江课题组 在NatureMicrobiology发表了题为Phage-associated Cas12p nucleases require binding to bacterial thioredoxin for activation and cleavage of target DNA的研究论文。 该研究发现了一类噬菌体来源的新型超小型Cas12核酸酶——Cas12p（500-700 个氨基酸 ），并揭示了其通过“劫持”细菌体内的硫氧还蛋白（TrxA）来激活自身DNA切割活性的独特分子机制（图1）。

图 1 ：Anti-CRISPR（左）与CRISPR activation （右）机制示意图

CRISPR-Cas系统源自微生物的获得性免疫机制，在基因治疗领域展现出广阔的应用前景。近年来，多种V型CRISPR-Cas12系统陆续被发现和表征，它们在蛋白结构、核酸靶向机制及生物学功能 等 方面呈现出丰富的多样性。研究团队推测自然界中仍蕴藏着大量未知变体，并据此建立了一套高效的 V 型 CRISPR- Cas系统 挖掘流程，从宏基因组数据中 筛选出多种未被报道的候选Cas12蛋白（图2）。AlphaFold结构预测显示，Cas12p的识别（Recognition，REC）结构域存在一处内部无序区域，这一特征暗示其可能具备特殊功能。 基于此， 研究团队将Cas12p选定为核心研究对象。 进化分析表明，Cas12p可能是转座相关蛋白TnpB向Cas12核酸酶进化的早期中间体。

图 2 ： CRISPR-Cas12 系统的挖掘

a. 新型CRISPR-Cas12系统的生物信息学 挖掘 流程。 b . 候选Cas12蛋白结构预测。 c. 微型CRISPR-Cas12系统的基因座结构。 d. 不同Cas12蛋白的长度。 e. TnpB 蛋白与其他微型 Cas12 变体之间的进化关系树。

为了阐明Cas12p的作用机理，研究团队利用冷冻电镜技术解析了Cas12p复合物的高分辨率结构（图3）。结构分析发现，Cas12p与一个细菌内源性蛋白存在紧密的相互作用。随后的生化实验和质谱分析确证了TrxA是Cas12p的特异性结合伴侣。

机制研究阐明了TrxA激活Cas12p的分子基础 。Cas12p利用其独特的TrxA结合（TrxA binding，TB）结构域，主要通过疏水相互作用与TrxA形成稳定的异源二聚体（图3）。TrxA的结合诱导了Cas12p发生变构，将原本灵活的 TB.b环 锁定在特定构 象。这种空间上的精准限位使得TB.b环能通过静电相互作用识别sgRNA-DNA 杂合双链 ，进而激活核酸酶的底物切割活性。

细菌遗传学实验表明，敲除 trxA 基因会导致Cas12p丧失基因组干扰能力，而回补 trxA 则能完全恢复其活性。这一系列证据证实，TrxA是Cas12p发挥功能所必需的“激活开关”。

Cas12p作为一种超小型核酸酶，其紧凑的尺寸降低了基因治疗的递送门槛。本研究揭示的“宿主因子辅助激活”机制为基因编辑工具的效率优化与活性调控提供了新方向。通过引入特定辅助因子和改造相关结构域，研究人员不仅有望提升其他超小型Cas蛋白的活性，还能利用对辅助因子的依赖性构建“分子开关”，实现对基因编辑的精准调控，从而开发出兼具高活性与高安全性的基因编辑系统。

上海科技大学 物质科学与技术学院 季泉江课题组博士后王志鹏和王玉珏为该论文的共同第一作者，季泉江教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-025-02224-z

制版人： 十一

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