张锋最新Cell论文：利用 AI 工具，揭开CRISPR-Cas13系统进化之谜

撰文丨王聪

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

CRISPR-Cas 系统是细菌和古菌的适应性免疫系统，能够抵御病毒和可移动遗传元件的入侵。尽管CRISPR-Cas9和CRISPR-Cas12系统的 DNA 靶向机制已经被广泛研究，但 RNA 靶向的CRISPR-Cas13系统的进化起源，目前仍然不清楚。

2025年2月18日，张锋团队在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins 的研究论文。

该研究通过混合结构和序列进化追踪方法，揭示了 RNA 靶向的CRISPR-Cas13系统可能起源于一种古老的 RNA毒素-抗毒素（TA）系统，特别是AbiF系统。 该研究不仅提供了对 CRISPR 系统进化的新见解，还为理解 RNA 引导机制在免疫系统中的多样性提供了重要线索。

CRISPR-Cas13 系统包含两个 HEPN（高等真核生物和原核生物核苷酸结合）超家族的核酸酶结构域，这些结构域广泛存在于原核生物的防御系统中。

在这项最新研究中，研究团队通过混合结构和序列搜索，通过AlphaFold2等深度学习工具预测蛋白质结构，并结合DALI等算法进行结构相似性比较，从而识别出 Cas13 的祖先，发现 Cas13 可能起源于AbiF系统。AbiF （Abortive Infection Protein F） 是一种与流产感染相关基因编码的毒素-抗毒素系统（toxin-antitoxin system，简称为 TA） ，其抗毒素是一种非编码 RNA（ncRNA），能够抑制 RNA 毒素的活性。

研究团队还发现了一种中间系统Cas13e，它同时具有 CRISPR 和 TA 系统的生化特性，Cas13e 是一种 RNA 引导的 RNA 靶向系统，而 AbiF 则是一种带有 RNA 抗毒素的 TA 系统。AbiF 系统的作用机制与 CRISPR 系统不同，ncRNA 抗毒素通过阻断 AbiF 的核酸酶活性位点来抑制其活性。Cas13e 的进化地位处于 AbiF 与其他已知 Cas13 之间。

研究团队进一步验证了 Cas13e 的功能，发现它能够结合 crRNA 并具有 RNA 引导的 RNA 切割活性。Cas13e 在结合 crRNA 后表现出非特异性的 RNA 切割活性，类似于 Cas13a/b/c/d 系统。

通过序列和结构的比较，研究团队重建了从 AbiF 到 Cas13 的进化路径。AbiF 基因首先发生复制，产生了具有额外结构域插入的双 HEPN 核酸酶。复制的蛋白质逐渐失去了与顺式编码的 ncRNA 抗毒素的相互作用，转而与 CRISPR RNA （crRNA） 相互作用，最终演变为了 RNA 引导的 CRISPR 系统。

也就是说，AbiF 作为一种与流产感染（abortive infection）机制相关的毒素-抗毒素（TA）系统蛋白，与非编码 RNA（ncRNA）形成稳定复合物，作为原始防御系统通过诱导宿主细胞休眠/死亡来阻止感染（例如噬菌体感染）的扩散 ，而 CRISPR-Cas13 系统在其基础上进化出了可编程的 RNA 靶向能力。

在这些发现的基础上，研究团队提出了一个进化模型，揭示了非 RNA 引导的毒素核酸酶（AbiF系统）如何进化为 RNA 引导的 CRISPR 系统（CRISPR-Cas13系统）。

• AbiF基因的复制和双 HEPN 核酸酶的形成；

• 插入新的RNA结合域（例如REC域），使得系统能够识别 crRNA 和靶 RNA 的双链结构；

• 从 TA 系统到 CRISPR 系统的完全转变，Cas13e 作为中间系统，保留了 TA 系统和 CRISPR 系统的特性。

这些发现表明，与 CRISPR-Cas9 和 Cas12 系统不同，Cas13 的进化路径似乎是一个独特事件。AbiF 虽然与 ncRNA 相互作用，但并不使用 ncRNA 引导，因此从 AbiF 到 RNA 引导的 CRISPR 系统的转变更具挑战性。这项研究揭示了 RNA 引导机制如何从非 RNA 引导的毒素核酸酶进化而来，拓宽了我们对原核生物 RNA 免疫系统多样性的理解。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00103-5