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Cell | 从细菌毒素到基因剪刀：CRISPR-Cas13的十亿年进化之路

生物探索 · 公众号 · 生物 · 2025-02-22 15:30

正文

引言

在微观世界的隐秘战场上，细菌与病毒持续上演着跨越30亿年的攻防大战。2012年CRISPR基因编辑技术的横空出世，让人类第一次拥有了精准改写生命密码的"分子剪刀"，其中靶向RNA的Cas13系统更因其在疾病治疗和病毒检测中的突破性应用备受瞩目。但一个根本性谜题始终悬而未决： 这种精密的RNA引导机制究竟从何进化而来？

2月18日， 《Cell》 的研究“ Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins ”揭开了惊人真相—— 被称作"基因魔剪"的Cas13蛋白，竟起源于一类原始细菌的"自杀式武器" 。通过冷冻电镜技术（分辨率3.6Å）和深度学习结构预测（AlphaFold3），研究人员首次捕捉到从毒素到基因工具的进化瞬间：在古细菌的基因组中，一种名为AbiF的毒素-抗毒素系统（Toxin-Antitoxin system）通过基因复制和结构域插入，逐步将用于同归于尽的RNA核酸酶改造为精准的基因剪刀。研究团队发现的过渡形态Cas13e（仅500个氨基酸），如同分子"活化石"般同时具备毒素系统的自发切割和CRISPR的靶向识别能力，其携带的crRNA竟与抗毒素RNA共享结构同源性。

这项研究不仅解开了CRISPR系统的最大进化谜题，更揭示了生命对抗病毒的智慧结晶—— 42%的Cas13关键氨基酸竟直接继承自毒素蛋白 。当研究人员在实验室重建出从AbiF到Cas13e的4步进化路径时，他们意外发现：引导RNA靶向性的核心结构域，最初竟是为防止毒素误伤宿主RNA而演化出的"安全锁"。这种从毁灭性武器到精密工具的华丽蜕变，为开发更安全高效的基因编辑器提供了全新范式，更暗示着自然界中可能潜藏着更多等待发现的"分子变形金刚"。

毒素的华丽转身：从自杀武器到免疫防御

细菌的“断臂求生”

在病毒入侵的危机时刻，许多细菌会启动流产感染机制（abortive infection）——宁可自杀也不让病毒复制。这种极端策略依赖于一类被称为毒素-抗毒素系统（Toxin-Antitoxin, TA）的分子开关。其中，AbiF系统由两个组件构成：

AbiF毒素蛋白： 具有非特异性RNA切割能力的HEPN结构域核酸酶

AbiFr抗毒素RNA： 通过结合毒素抑制其活性

当病毒DNA入侵时，细菌通过σ70启动子表达AbiF毒素，无差别切割所有RNA导致细胞死亡，而抗毒素RNA则像安全栓一样防止误触发。

进化中的关键跃迁

通过冷冻电镜（cryo-EM）解析AbiF复合物结构（分辨率3.6Å），研究人员发现其RNA结合方式与Cas13惊人相似。两者都采用双HEPN结构域，并形成正电荷沟槽结合RNA。但Cas13通过插入REC结构域实现了从非特异性到靶向性的飞跃：

结构革命：AlphaFold3揭开进化密码

分子考古学突破

研究团队运用深度学习结构预测（AlphaFold3）重建了Cas13的进化路径：

基因复制事件： 单个HEPN结构域通过复制形成双核酸酶结构

结构域插入： REC结构域的加入实现crRNA引导

功能分化： 抗毒素RNA进化为CRISPR阵列

关键证据来自Cas13e亚型——这个仅500个氨基酸的“简化版”Cas13，同时保留着毒素系统的自发活性和CRISPR的靶向切割能力。

RNA引导的诞生

在AbiF向Cas13的转化过程中，两个结构改变尤为关键：

螺旋插入（Helical insertion）： 形成crRNA茎环结合位点

REC样结构域： 识别靶RNA与crRNA的配对冷冻电镜数据显示，这些改变使RNA结合沟槽的电荷分布从-5kT/e提升到+8kT/e，彻底扭转了RNA结合模式。

进化启示录：从偶然到必然的生命创新

自然选择的精妙设计

这项研究揭示了生物创新的三大法则：

功能复用： 毒素的RNA切割能力被重新利用

模块组装： 通过结构域插入增加新功能

协同进化： RNA与蛋白的共同优化

例如，Cas13的附带切割（collateral cleavage）特性——在识别靶标后无差别切割周围RNA，正是源自AbiF毒素的原始杀伤机制。

超越CRISPR的未来应用

理解Cas13的进化史为新一代基因工具开发指明方向：

微型基因编辑器： Cas13e的紧凑结构适合体内递送

智能RNA开关： 改造抗毒素RNA实现条件性激活

病原体检测： 利用附带切割开发超灵敏诊断技术

研究团队已在试管中成功重建了从AbiF到Cas13e的进化路径，证明仅需4个关键突变即可实现功能转换。

生命科学的范式革命

这项研究不仅是分子考古学的里程碑，更展现了合成进化（synthetic evolution）的惊人潜力。当我们破解了蛋白质的进化密码，就能像设计机械一样设计生命分子。或许在不久的将来，研究人员能在实验室中重演数十亿年的进化历程，定制出超越自然界限的生物技术工具。

CRISPR的故事提示我们，自然界最强大的工具，往往诞生于最残酷的生存斗争。现在，是时候书写新的进化篇章了。

参考文献

Zilberzwige-Tal S, Altae-Tran H, Kannan S, Wilkinson ME, Vo SC, Strebinger D, Edmonds KK, Yao CJ, Mears KS, Shmakov SA, Makarova KS, Macrae RK, Koonin EV, Zhang F. Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins. Cell. 2025 Feb 12:S0092-8674(25)00103-5. doi: 10.1016/j.cell.2025.01.034. Epub ahead of print. PMID: 39970912.

责编 |探索君

排版|探索君

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