NAR | 向华/李明团队揭秘CRISPR护卫RNA独特的进化之路

CRISPR-Cas系统是在原核微生物（古菌和细菌）中广泛存在的抗病毒（噬菌体）免疫系统。宿主菌通过将入侵病毒的特定DNA序列插入到其CRISPR结构中，可形成对该病毒的永久性“记忆”。这些记忆性序列（称为spacer）可转录加工生成crRNA、指导CRISPR-Cas系统效应物（如Cas9或Cascade复合物）特异性识别和切割再次入侵的病毒，实现对该类病毒的适应性免疫。CRISPR-Cas系统丰富多样的功能组分和核酸靶向机制，为人类提供了迄今最高效的基因组编辑技术（如CRISPR-Cas9系统）和基因检测技术（如CRISPR-Cas13a系统），因此近十余年来一直是生命科学研究的前沿。去年，中国科学院微生物研究所向华/李明团队在国际顶尖学术期刊 Science 发表了题为：Toxin-antitoxin RNA pairs safeguard CRISPR-Cas systems 的研究论文。

该研究发现了一类全新的可以护卫CRISPR-Cas的双RNA型毒素-抗毒素系统CreTA，进一步研究发现CreTA起源于mini-CRISPR结构，但其重复序列repeat发生了高度退化。CreTA的repeat序列为何会发生这一退化，其进化驱动力是什么，科学家们尚不清楚。2022年9月9日，向华/李明团队在 Nucleic Acids Research 期刊上发表了题为：The toxin–antitoxin RNA guards of CRISPR-Cas evolved high specificity through repeat degeneration 的研究论文，报道了关于上述问题的最新研究进展。 

研究团队通过大量遗传学实验发现，CreA只能利用携带该CreTA元件的CRISPR-Cas系统抑制CreT毒素的转录表达并形成“细胞成瘾”回路，而无法利用近缘的CRISPR-Cas系统。如此一来，每个CRISPR-Cas基因簇都进化出了自己独有的护卫RNA，这可能促进了CRISPR-Cas系统的深度分化和多样化形成（图1A和B）。作者通过进化分析发现，虽然CreA两个repeat组分都发生了严重的序列保守性退化，但第一个repeat（ΨR1）的退化更为严重，而通过对该repeat组分进行改造，可以大大提高CreTA与近缘CRISPR-Cas系统的适配性。另外，退化的repeat序列有助于维持CreTA的稳定性，作者将其用于CRISPR基因编辑，显著提高了CRISPR工具的稳定性和编辑效率（图1C）。 

该研究阐述了CreTA通过“序列退化”实现“功能进化”的独特进化之路，揭示了其通过repeat退化提高自身稳定性，以及高度特异地保护其附近CRISPR-Cas基因簇的分子机制，并为CRISPR工具的创新升级提供了新元件和新思路。 

论文链接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6541/eabe5601

https://doi.org/10.1093/nar/gkac712

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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