Nat Commun | 刘亮、陈霁云、李雪岩合作揭示CRISPR-Cas13–HicAB整合系统的原核防御机制

流产感染（Abortive Infection,Abi）是原核生物的通过牺牲少数被感染个体，阻断病毒复制与传播，保证种群延续的一种“利他性”免疫策略。毒素-抗毒素（Toxin-Antitoxin,TA）系统是执行Abi的主要防御武器之一，其中II型TA系统由毒素蛋白和抗毒素蛋白组成，在种群中占比最大。正常情况下，抗毒素抑制毒素活性；噬菌体入侵时，毒素被释放，导致细菌停滞或死亡，截断病毒传播。同时，CRISPR-Cas系统为原核生物提供获得性免疫策略。VI型CRISPR-Cas13系统在crRNA引导下识别靶标RNA后，激活Cas13蛋白的非特异性反式切割活性，攻击胞内tRNA等RNA分子，引发流产感染。近年生物信息学分析发现，II型TA系统与CRISPR-Cas系统在基因组中频繁相邻分布，暗示两者可能存在功能关联。然而，这种相邻是否意味着功能上的直接偶联并不清楚。

2026年6月26日，厦门大学生命科学学院刘亮团队与英国剑桥MRC分子生物学实验室（LMB）李雪岩博士合作，在Nature Communications在线发表研究论文：Potential role of a CRISPR-Cas-activated toxin-antitoxin system in bacterial immunity，首次挖掘了一种由VI型CRISPR-Cas13a系统与II型TA系统HicAB形成的整合防御系统，并揭示其全新抗噬菌体免疫机制。通过功能实验与结构生物学研究，系统阐明了CRISPR-Cas13a与HicAB在功能上的直接偶联关系。尤为重要的是，该研究颠覆了抗毒素仅起“抑制”作用的传统认知，发现Cas13a可直接结合并“策反”抗毒素HicB，将其转化为一把RNA降解武器，协同触发流产感染以阻断病毒传播。同时，毒素HicA充当“刹车”，竞争性抑制HicB的异常激活，而CRISPR RNA本身亦兼具抗毒素功能。这些发现首次揭示了一个由Cas13a、HicB、HicA和crRNA构成的多层次、可调控的免疫协调网络。

研究团队在对含CRISPR-Cas13系统的细菌基因组进行系统分析时发现，在部分携带cas13a基因的菌株中，hicAB基因与cas13a基因在空间分布上呈现出极强的相关性。在典型的II型TA系统中，毒素基因与抗毒素基因通常以相邻成对的形式存在，基因间隔一般不超过400 bp。然而，研究团队在一部分菌株中发现， CRISPR阵列竟被“插入”到hicA与hicB之间，形成了hicA–CRISPR–hicB–cas13a–CRISPR的独特排列。这种基因组结构暗示CRISPR-Cas13a系统与HicAB系统并非各自独立的防御模块，而是可能作为一个协同整合的功能单元共同发挥作用。

研究人员首先验证了HicB与Cas13a在体内外均能形成复合物。在大肠杆菌中单独表达HicB或Cas13a对细菌的生长并未产生显著影响；然而，当两者共表达时，细菌生长被显著抑制。进一步的噬菌体增殖实验表明，这种生长抑制赋予了宿主广谱的抗噬菌体活性。研究发现，这种生长抑制源于细胞内rRNA、tRNA和mRNA的大规模降解。考虑到Cas13a具备RNA酶的活性，团队对其催化活性位点进行了系统突变。意外的是，细菌内的RNA降解和抗噬菌体活性依然存在。研究团队注意到，单独表达HicB蛋白的菌在生长上与对照组相比有极为微弱的降低。当逐步提高HicB的表达量后，细菌的生长受到抑制，同时细菌内的RNA也出现了明显的降解。这一发现暗示了HicB可能是这场针对RNA打击的真正“执行者”。

为了明确HicB的作用机制，研究人员解析了HicB的晶体结构。结构显示，HicB以四聚体的形式存在，其C端结构域参与了四聚体的组装。团队对HicB C端所有酸性和碱性氨基酸进行逐一突变，发现，第102、103、104位赖氨酸的突变对HicB-Cas13系统的抗噬菌体活性产生了显著影响。那么，Cas13a又是如果激活HicB？研究人员通过晶体学的研究手段成功解析了Cas13a与HicB的复合物结构。结构显示，两个Cas13a分子分别与4个HicB分子形成复合物，使两个HicB四聚体以“三明治”的方式紧密排列。这种排列方式使得分别来自两个四聚体的HicB的第102、103、104位的赖氨酸在空间上相互靠近，从而激活了HicB对细胞内RNA的降解活性。

在经典的HicAB系统中，毒素HicA通过降解细胞内的RNA发挥毒性，抗毒素HicB负责中和其毒性。研究人员通过解析HicAB复合物的结构证实，HicB通过结合HicA的活性中心而抑制了其RNA酶活性。但有趣的是，研究人员发现HicA可以相较Cas13a与HicB有更高的亲和力，通过竞争性结合HicB抑制Cas13a对HicB的激活。这种方式确保了在静息状态下，HicB不会被异常激活。

EMSA与MST实验显示，单独的HicA、HicB和HicAB复合物均可以与crRNA结合，其中HicAB对crRNA具备较高的亲和力。冷冻电镜结构进一步揭示，两个crRNA分子与两个HicAB异源六聚体组装成了一个异源十四聚体的复合物。crRNA的茎环结构被HicA识别并结合，从而中和HicA的催化活性中心。这一发现揭示了crRNA偶联的HicAB系统兼具II型TA系统（蛋白类抗毒素）和III型TA系统（RNA类抗毒素）的混合特征。

基于以上发现，研究团队将CRIPRS-Cas13a偶联的HicAB系统命名为CCTA系统（CRISPR-Cas–toxin-antitoxin systems）。该系统的发现打破了人们对毒素-抗毒素系统的传统认知框架。两套看似独立的防御体系，通过蛋白间的直接互作实现功能耦合，并在不同层面形成精密调控。Cas13a不再仅仅是序列特异性的核酸切割器，它同时扮演着激活相邻防御模块的“指挥官”角色；而HicB作为被“策反”的抗毒素，其功能转换机制为理解原核生物如何在个体牺牲与群体存活之间做出决策提供了全新视角。同时，此外，HicAB复合物对crRNA的特异性识别，为其作为RNA引导的核酸靶向工具的开发提供了结构基础和设计思路。

CCTA系统的多策略防御模型

厦门大学生命科学学院副教授陈霁云、2021级博士研究生黄玲珑、2023级博士研究生陈泓、MRC分子生物学实验室李雪岩博士为论文的共同第一作者。厦门大学生命科学学院刘亮教授、陈霁云副教授、MRC分子生物学实验室李雪岩博士为论文的共同通讯作者。

https://www.nature.com/articles/s41467-026-74930-z

制版人： 十一

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