Cell Host & Microbe | 深圳先进院马英芬团队揭示人类肠道噬菌体编码的抗CRISPR蛋白多样性与机制

细菌的CRISPR-Cas系统就像一套精准的“免疫档案”，能记住噬菌体的DNA序列，下次遭遇时直接将其切断。为了活下来，噬菌体也进化出对抗手段——抗CRISPR蛋白（Acr），专门破坏这套防御系统。人类肠道中的细菌和噬菌体数量惊人，双方长期激烈博弈，但肠道噬菌体究竟携带哪些Acr武器、如何针对不同细菌的CRISPR系统，科学家一直缺乏系统性的认识。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院马英芬研究员团队在《细胞·宿主与微生物》（Cell Host & Microbe）期刊发表了一项题为《Discovery of human gut phage-encoded anti-CRISPR proteins unveils diverse mechanisms for phages to evade type II CRISPR immunity》的研究。该团队系统分析了近30万个肠道细菌基因组和3万多个肠道病毒序列，结合大规模功能筛选，鉴定出数百个由肠道噬菌体编码的抗CRISPR蛋白，并意外发现一个名为“GutAcra”的全新蛋白家族。这些蛋白虽然序列千差万别，三维结构却高度相似，能有效抑制多种CRISPR-Cas9系统，还会自动调节自身产量，避免给细菌宿主添太多负担。

研究第一步，团队梳理了肠道细菌的CRISPR系统家底。他们分析了统一人类胃肠道基因组数据库中的28.7万个细菌基因组，发现II型CRISPR-Cas系统（也就是Cas9蛋白主导的那一类）占比高达47%，远远超过之前认为占主流的I型系统。这说明肠道细菌最依赖的免疫防线其实是Cas9。接下来，研究人员利用CRISPR系统中的“记忆片段”——间隔序列，去匹配肠道病毒数据库里的病毒序列，筛出那些很可能携带Acr基因的噬菌体。最终锁定了超过1.8万个携带Acr相关基因的病毒片段，并从中挑出3411个候选Acr基因，人工合成后构建成基因文库。

为了验证这些候选基因的功能，团队设计了一套巧妙的筛选方案。他们将文库分别转入表达六种不同Cas9蛋白的大肠杆菌菌株中，这些菌株的Cas9会定向切割携带Acr基因的质粒。如果某个Acr能成功抑制Cas9，质粒就能存活下来。经过多轮“转移—培养”的反复筛选，那些真正有效的Acr在菌群中逐渐富集。最终，针对每一种Cas9，团队都获得了数十到上百个阳性克隆。进一步用噬菌体感染实验确认：这些Acr能让原本被Cas9压制住的噬菌体重新成功侵染细菌，有的甚至使病毒感染效率恢复两三个数量级。

最令团队惊喜的是一类被命名为“GutAcra”的蛋白家族。这个家族共有213个成员，它们的氨基酸序列差异很大，很多彼此间几乎看不出亲缘关系。但用AlphaFold预测蛋白质结构后，结果让研究人员很意外——所有成员折叠出来的三维构象几乎一模一样，像同一个模具倒出来的。团队随机挑出10个成员，在实验中证实它们都能显著抑制Cas9的切割活性。而且这些蛋白个头极小，大部分不足70个氨基酸，比一般Acr蛋白还要紧凑。更特别的是，它们还自带“音量调节”功能：能识别自己的启动子，抑制自身基因的转录，避免蛋白产量过高加重细菌的代谢负担。这种自我克制的能力，在已知的Acr蛋白中相当少见。

这项研究不仅大大拓展了人们对肠道噬菌体防御武器库的认识，也展示了一个有趣的进化场景：不同的噬菌体在漫长的博弈中，殊途同归地演化出相似的结构来拆解细菌的免疫系统。同时，这些小巧高效的Acr蛋白还有望成为基因编辑工具箱里的“安全开关”，帮助科学家更精准地控制CRISPR技术的开关时机。

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