轉(zhuǎn)座子編碼的TnpB核酸酶通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的馴化事件產(chǎn)生V型CRISPR-Cas12效應(yīng)子。這些系統(tǒng)使用不同的RNA分子作為DNA靶向的指南:TnpB的轉(zhuǎn)座子衍生的right-endRNA(reRNAs或omega RNAs)和V型CRISPR-Cas系統(tǒng)的CRISPR RNAs。然而，連接轉(zhuǎn)座子活性和CRISPR免疫的分子機(jī)制仍不清楚。

2025年9月29日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞、清華大學(xué)劉俊杰、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所張勇共同通訊在Cell在線發(fā)表題為“Functional RNA splitting drove the evolutionary emergence of type V CRISPR-Cas systems from transposons”的研究論文，該研究表明首次發(fā)現(xiàn)并定義了連接轉(zhuǎn)座子與CRISPR之間長(zhǎng)期缺失的關(guān)鍵進(jìn)化中間體，命名為TranC (Transposon-CRISPR intermediate)，彌合了CRISPR進(jìn)化歷程中的缺口。

該研究鑒定了來(lái)自不同IS605-或IS607-TnpB譜系的TranCs(轉(zhuǎn)座子-CRISPR中間體)。TranCs利用CRISPR RNAs和reRNAs來(lái)指導(dǎo)DNA切割。Lawsonibacter sp .的LaTranC的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。非常類似于ISDra2 TnpB復(fù)合物；然而，與單分子reRNA不同，LaTranC指導(dǎo)RNA在功能上分為tracrRNA和crRNA。ISDra2 TnpB的工程RNA分裂使CRISPR陣列具有活性。這些發(fā)現(xiàn)表明，功能性RNA分裂是驅(qū)動(dòng)不同V型CRISPR-Cas系統(tǒng)從轉(zhuǎn)座子中出現(xiàn)的主要分子事件。

可移動(dòng)遺傳元件(MGEs),如轉(zhuǎn)座因子(TEs)和病毒，是生命所有領(lǐng)域表型進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。MGEs驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的一個(gè)顯著例子是CRISPR-Cas系統(tǒng)，該系統(tǒng)源于馴化的TEs，以賦予原核生物適應(yīng)性免疫。關(guān)鍵效應(yīng)蛋白Cas 9(II型)和Cas 12(V型)分別由插入序列Cas9-like OrfB (IscB)和轉(zhuǎn)座子編碼的核酸酶TnpB (TnpB)進(jìn)化而來(lái)。 這兩種酶都由IS200/IS605 TEs編碼(在某些情況下也由IS607編碼)。這些RNA指導(dǎo)的核酸酶利用CRISPR RNAs (crRNAs)，通常與反式激活crRNAs (tracrRNAs)結(jié)合，來(lái)識(shí)別和切割兩側(cè)帶有原間隔區(qū)相鄰基序(PAMs)的入侵核酸。Cas9和Cas12的可編程性質(zhì)徹底改變了基因組編輯，使基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)和各種生物技術(shù)應(yīng)用成為可能。

然這兩種核酸酶都起源于TEs，但它們的進(jìn)化軌跡明顯不同。II型CRisPR-Cas9系統(tǒng)可能起源于單一的IscB馴化事件，而V型CRISPR-Cas12系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的多樣性，表明TnpB核酸酶經(jīng)歷了多次獨(dú)立的馴化事件。這種從TnpB到Cas12的周期性轉(zhuǎn)變被認(rèn)為是由TnpB核酸酶的異常豐度和序列多樣性所驅(qū)動(dòng)的，這些酶在原核生物基因組中超過(guò)一百萬(wàn)個(gè)位點(diǎn)上被發(fā)現(xiàn)。TnpB由幾個(gè)插入序列(IS)家族編碼，包括IS605、IS607和IS1341。IS605和IS607家族是自主的，編碼TnpB和轉(zhuǎn)座酶TnpA (Y1轉(zhuǎn)座酶和絲氨酸重組酶)。相比之下，IS1341只編碼TnpB。這些TnpBs在轉(zhuǎn)座子驅(qū)動(dòng)的右端RNAs (reRNAs，也稱為ωRNAs)的指導(dǎo)下切割側(cè)翼為靶鄰近基序(TAMs)的DNA序列，從而促進(jìn)同源重組事件，恢復(fù)并保留可動(dòng)因子。

機(jī)理模式圖（圖源自Cell）

為了填補(bǔ)這個(gè)空白，研究人員鑒定了一類TranCs(轉(zhuǎn)座子-CRISPR中間體),它們表現(xiàn)出轉(zhuǎn)座子-CRISPR轉(zhuǎn)換的標(biāo)志性特征。通過(guò)整合進(jìn)化、功能和結(jié)構(gòu)分析，證明reRNA功能性分裂為tracrRNA和crRNA代表了驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)座子編碼的TnpBs向V型CRISPR-Cas系統(tǒng)初始轉(zhuǎn)化的保守和基本機(jī)制。綜上，該研究通過(guò)多學(xué)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(jié)構(gòu)的根本性改變，是驅(qū)動(dòng)CRISPR-Cas系統(tǒng)由轉(zhuǎn)座子演變?yōu)槊庖呦到y(tǒng)的核心分子機(jī)制。

參考信息：

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