NSMB | Cas9祖先如何“踩油门”？胡纯一/胥春龙合作揭示IscB自抑制与激活机制

CRISPR–Cas系统 是目前基因编辑的最佳解决方案之一 。然而，当前主流CRISPR核酸酶（如Cas9和Cas12）普遍体积较大，这在一定程度上限制了其在临床基因治疗中的递送效率。近年来，一类来源于转座子系统的紧凑型RNA引导核酸酶——OMEGA系统 ( O bligate M obile E lement G uided A ctivity syste m) 逐渐受到关注，其中 IscB ( Insertion sequence Cas9-like protein B ) 被认为是 Cas9 的进化祖先 ，仅约500个氨基酸大小，具有成为新一代基因编辑工具的潜力【1,2】。

然而，与Cas9相比，人们对IscB如何被激活、如何避免错误切割DNA等关键问题仍缺乏深入理解。此前研究仅解析了IscB与DNA结合后的R-loop结构， 并且这个结构里面HNH核酸酶结构域是不清晰的，因此 IscB从“静息状态”到“活化状态”的整个过程仍然是一个未解之谜【3】。

2026年3月25日 ，来自新加坡国立大学 的胡纯一团队和上海临港实验室胥春龙团队合作， 在 Nature Structural & Molecular Biology 发表 题为 Structural insight into IscB’s RNA-lid-based inactivation mechanism 研究 成果 ，通过冷冻电镜系统解析了IscB在不同功能状态下的结构变化轨迹，揭示了一种独特的RNA介导的自抑制机制以及逐步激活模型。

捕捉IscB激活全过程

在这项研究中，研究团队利用工程化IscB（enIscB） 和与IscB结合的ωRNA【4】作为研究对象，并解析了四种关键结构状态：

1. 无DNA结合的静息状态（apo）

2. 6 nt guide–target配对的初始中间态

3. 10 nt配对的进一步中间态

4. 16 nt完全配对的活化状态

这些结构的分辨率达到约 3 Å ，首次构建出IscB从静息到活化的完整结构轨迹。

结构比较显示，随着guide RNA与目标DNA逐步配对，IscB发生一系列构象变化，最终形成稳定的R-loop结构并激活核酸酶活性。

图1 IscB激活的构象变化

RNA“盖子”锁住核酸酶：双重自抑制机制

研究发现，在静息状态下，IscB通过一种巧妙的 RNA介导自抑制机制 来避免错误切割DNA。具体而言，IscB的两个核酸酶结构域分别被不同的RNA结构“盖住”：

1 ωRNA lid

ωRNA类似于Cas9的sgRNA，与IscB结合提供guide和结构支撑 。

图2 ωRNA形成类似“盖子”的结构覆盖在 HNH活性中心 上，阻止DNA接近催化位点。

2 guide RNA lid

Guide RNA位于ωRNA的5 ’ 端,为IscB核酸酶活性提供RNA guide 。

图3 guide RNA本身也覆盖在 RuvC活性位点 上，阻止非特异DNA进入。

这种 双RNA盖结构（dual RNA lids） 相当于为IscB加上了两道“安全锁”，确保核酸酶只有在正确识别目标DNA时才会被激活。

“油门踏板”模型：IscB如何被激活

进一步结构分析揭示了IscB的激活方式。

图4 随着碱基配对增加， target DNA逐渐“压下”guide RNA这一结构元件。

当配对长度达到 约11个碱基 时，guide RNA发生关键位移，从而触发IscB结构重排并激活核酸酶。 这一发现表明 11 nt配对是IscB激活的重要阈值 。

图5 作者将这一过程形象的类比为汽车踏板-油门模型

HNH结构域的90°旋转

在IscB激活过程中，另一个关键事件是 HNH结构域发生约90°旋转 。

这一旋转由两个短的 hinge结构 控制，它们像机械铰链一样驱动结构域移动。研究人员发现，这些hinge区域不仅决定IscB的构象变化，还对其功能至关重要。

图6 铰链结构驱动的HNH构象变化

结构指导工程化改造

在理解IscB激活机制后，研究团队进一步对hinge区域进行了工程化设计。在DNMT1位点的测试中，优化后的IscB变体在编辑效率接近Cas9的同时， 基因组转位率（translocation rate）约为Cas9的一半 ，显示出潜在的更高安全性。

为下一代小型基因编辑工具提供蓝图

总体而言，这项研究首次揭示了IscB从静息到激活的完整结构路径，并提出：

• RNA lid自抑制机制

• 汽车踏板-油门 激活模型

• hinge驱动的 HNH结构域构象变化

这些发现不仅深化了人们对CRISPR祖先核酸酶的理解，也为开发更小、更安全的基因编辑工具提供了重要结构基础。随着对IscB机制的进一步探索，这一紧凑型RNA引导核酸酶有望成为未来基因治疗领域的重要工具。

上海临港实验室胥春龙教授，新加坡国立大学胡纯一教授，博士后马升升为论文共同通讯作者 。 新加坡国立大学博士生王飞佐,博士后张森锋,上海临港实验室郭若晨为论文共同第一作者 。 此外，上海交通大学附属上海市第九人民医院骨科，上海市骨科植入物重点实验室马培翔教授，新加坡国立大学Ziqing Winston Zhao教授、骆敏教授，中科院大连化物所徐鑫研究员，浙江大学附属儿童医院胡涛研究员等都做出了贡献。

https://www.nature.com/articles/s41594-026-01761-3

制版人： 十一

参考文献

1. Altae-Tran, H., et al., The widespread IS200/IS605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases.Science(New York, N.Y.), 2021. 374(6563): p. 57-65.

2. Wang, F., et al., CRISPR beyond: harnessing compact RNA-guided endonucleases for enhanced genome editing.Sci China Life Sci, 2024. 67(12): p. 2563-2574.

3. Schuler, G., C. Hu, and A. Ke, Structural basis for RNA-guided DNA cleavage by IscB-ωRNA and mechanistic comparison with Cas9.Science, 2022. 376(6600): p. 1476-1481.

4. Han, D., et al., Development of miniature base editors using engineered IscB nickase.Nature Methods, 2023. 20(7): p. 1029-1036.

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！