編輯丨王多魚

排版丨水成文

CRISPR-Cas系統(tǒng)是原核生物的獲得性免疫系統(tǒng)，能夠在 CRISPR RNA 的指導下特異性切割入侵的外源核酸。其中，分別以 Cas9 和 Cas12 為效應蛋白的 type II 類和 V 類 CRISPR 系統(tǒng)已成為當前基因組編輯的重要工具，廣泛應用于基礎研究、醫(yī)學和農業(yè)等多個領域。

已有研究表明，Cas12 起源于 IS200/605 和 IS607 轉座子家族編碼的TnpB核酸酶。TnpB 蛋白廣泛存在于細菌和古菌的轉座子中，是原核生物中最龐大、最豐富的轉座子相關核酸酶家族之一。

TnpB 和 Cas12 在種類和結構上具有高度多樣性，從 TnpB 到 Cas12 的進化被認為是“多次獨立起源”的轉座子-免疫系統(tǒng)復雜進化事件。闡明 CRISPR 系統(tǒng)從轉座子起源的分子機制，是該領域長期懸而未解的科學難題。

2025 年 9 月 29 日，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊聯(lián)合清華大學生命科學學院劉俊杰副教授、中國科學院動物研究所張勇研究員，在國際頂尖學術期刊Cell期刊發(fā)表了題為：Functional RNA splitting drove the evolutionary emergence of type V CRISPR-Cas systems from transposons 的研究論文。

研究團隊歷經 7 年深入探索，首次發(fā)現(xiàn)并定義了連接轉座子與 CRISPR 之間長期缺失的關鍵進化中間體，將其命名為——TranC（Transposon-CRISPR intermediate），彌合了 CRISPR 進化歷程中的缺口。

該研究揭示，驅動TnpB轉座酶向Cas12系統(tǒng)演化的核心機制源于引導RNA的“功能性分裂”，而非蛋白質結構的根本性改變。這一發(fā)現(xiàn)不僅破解了 Cas12 起源的分子機制之謎，也首次以實驗證據闡明了 RNA 層面的創(chuàng)新如何驅動復雜分子機器的進化進程。

在這項最新研究中，研究團隊首先結合序列相似性、共享結構域特征和保守催化基序三重搜索方法，從原核生物基因組與宏基因組數(shù)據中，鑒定出 146 個與 TnpB 親緣關系較近的 CRISPR 偶聯(lián)候選蛋白。通過系統(tǒng)發(fā)育分析、AlphaFold 結構預測與功能元件對比，最終從中鑒定出 6 個演化中間家族，命名為TranC。這些 TranC 系統(tǒng)均與特定的 TnpB 分支構成姊妹群體，代表了 TnpB 向 Cas12 演化過程中的多個獨立起源路徑。其中，除此前已報道的 Clade 8（Cas12n，源自 IS607 家族）外，研究新鑒定的 Clade 3、11、12、13、14 源自 IS605 轉座子家族，進一步描繪了 Cas12 系統(tǒng)多次“獨立演化”的復雜場景。

功能實驗證實，TranC 系統(tǒng)具有獨特的“雙RNA導向機制”。在大腸桿菌體系中，來自多個支系的五個代表性 TranC 系統(tǒng)不僅能夠使用自身編碼的 CRISPR RNA（tracrRNA + crRNA）進行靶向切割，還保留了祖先 TnpB 使用 reRNA（transposon-derived right-end RNA，亦稱作 ωRNA）作為向導的能力。進一步在人類細胞體系開展的基因組編輯實驗顯示，來自 Clade 3、源于人類腸道細菌 Lawsonibacter sp. 的 LaTranC 系統(tǒng)，能夠同時使用 CRISPR RNA 與 ISDra2 TnpB 的 reRNA 進行基因組編輯。這種兼具兩種 RNA 識別能力的“雙重導向”機制，是 TranC 系統(tǒng)作為 TnpB 向 Cas12 演化中間體的重要功能標志，也為理解 CRISPR 系統(tǒng)的起源提供了關鍵證據。

進一步的結構生物學分析揭示，TranC 蛋白與其祖先 TnpB 蛋白在三維結構上高度保守，其差異主要體現(xiàn)在 RNA 層面。冷凍電鏡解析表明，LaTranC 與 CRISPR RNA（tracrRNA + crRNA）形成的復合體，與其姊妹分支 ISDra2 TnpB 與 reRNA 形成的復合體在結構上高度一致。結構對比首次觀測到，TnpB 系統(tǒng)中由單一 reRNA 構成的向導 RNA，在 TranC 中演化為功能分離的 tracrRNA 與 crRNA 兩個模塊，從而建立起典型的 CRISPR 雙 RNA 導向結構。這一“RNA 功能性分裂”的現(xiàn)象不僅在 LaTranC 中被驗證，也通過 AlphaFold 結構預測和 RNA 共變異分析在其他 TranC 支系中被普遍觀察，提示其為 Cas12 系統(tǒng)多次獨立起源過程中的趨同進化特征。

為進一步驗證 RNA 分裂在 CRISPR 系統(tǒng)起源中的關鍵作用，研究團隊通過實驗模擬了從 TnpB 到 TranC 的演化路徑。結果表明，僅通過將 ISDra2 TnpB 的 reRNA 模塊功能性拆分為嵌合型 tracrRNA 與 LaTranC 來源的 crRNA 兩部分，即可賦予其利用 CRISPR 陣列進行靶向識別與基因組切割的能力。換而言之，該系統(tǒng)已從單 RNA 導向的 TnpB 機制轉變?yōu)殡p RNA 導向的類 CRISPR 機制。

TranC 系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)揭示了 CRISPR 起源的關鍵分子機制

綜上所述，該研究通過多學科方法，首次明確指出，RNA 層面的功能性分裂與模塊化創(chuàng)新，而非蛋白結構的根本性改變，是驅動 CRISPR-Cas 系統(tǒng)由轉座子演變?yōu)槊庖呦到y(tǒng)的核心分子機制。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞研究員、清華大學生命科學學院劉俊杰副教授、中國科學院動物所張勇研究員為該論文共同通訊作者。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所已出站博士后靳帥、已畢業(yè)博士生朱子旭、博士生李運嘉和清華大學已出站博士后張壽悅為該論文共同第一作者。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所已畢業(yè)博士生劉怡靜、博士生程志恒、博士生楊廣磊、助理研究員李洪超、助理研究員梁榮洪與副研究員張瑞，清華大學生命科學學院已畢業(yè)博士生李丹苑、中國科學院動物研究所李源清博士、中國科學院微生物研究所駱迎峰研究員、邱金龍研究員，齊禾生物科技有限公司首席技術官趙天萌博士、高強博士等在課題研究中做出了重要貢獻。上?？萍即髮W季泉江教授、中國科學院微生物研究所吳邊研究員為該研究提供了重要實驗材料。研究得到農業(yè)農村部項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊項目和新基石科學基金項目的資助。

此外，齊禾生物科技有限公司趙天萌團隊與中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊合作，對 LaTranC 基因組編輯系統(tǒng)進行了系統(tǒng)性的蛋白定向進化與向導 RNA 工程改造，成功獲得具備完全自主知識產權的高效變體——TranC11a（574個氨基酸）。在真核細胞的基因組編輯實驗中，TranC11a 顯著優(yōu)于現(xiàn)有小型核酸酶系統(tǒng)（例如 TnpB 和 IscB），并在部分位點展現(xiàn)出與 SpCas9 系統(tǒng)相當?shù)木庉嬓?。該研究以：Directed evolution of compact TranC11a systems for efficient genome editing 為題，在預印本平臺 bioRxiv 上線。

TranC 系列相關核心專利已通過國家知識產權局的自由實施（FTO）審查，為其在生物醫(yī)藥和農業(yè)育種等關鍵領域的轉化應用奠定了堅實基礎。目前，TranC11a 質粒已通過 Addgene 平臺面向全球科研人員開放獲取，并可通過齊禾生科獲得專業(yè)技術支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.09.004