近七年追查 科学家找到守护“基因魔剪”的“暗物质”

CRISPR-Cas系统是微生物中广泛存在的抗病毒免疫系统。该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和基因检测技术。2020年10月，基于CRISPR-Cas9系统建立的“基因魔剪”获得了2020年度的诺贝尔化学奖。

4月30日，国际顶级期刊《科学》在线发表了中国科学院微生物所向华/李明团队关于CRISPR-Cas系统的一项重要研究成果，揭开了CRISPR-Cas系统在微生物中稳定性的神秘机制。

CRISPR-Cas系统的维持和表达往往消耗大量的物质和能量，给宿主细胞造成一定的负担，同时它也有发生“自免疫”的风险，即可能误杀宿主细胞自己。因此，在进化过程中，细菌可能会丢弃CRISPR-Cas系统。

“可是，科学家们发现，CRISPR-Cas系统非常广泛地存在于微生物基因组中，究竟是什么机制维持着CRISPR-Cas系统的稳定性，在微生物宿主基因组中是否存在一类保护CRISPR-Cas功能但至今尚未被揭示的‘暗物质’， 这是科学家长期关注而又未能充分认识的前沿科学问题。”论文共同通讯作者、中科院微生物所研究员向华介绍说。

向华/李明团队从2009年就开始CRISPR抗病毒免疫机制研究。2014年，该团队在研究西班牙盐盒菌CRISPR-Cas系统时，发现其Cas5-8四个基因都无法单独敲除，暗示其基因簇中存在护卫其稳定性的“暗物质”。经过近7年的探索，他们在Cas基因簇附近发现了一类由两个小RNA组成的全新的毒素-抗毒素系统，两个小RNA分别命名为CreT（毒素）和CreA（抗毒素）。

“我们发现这一对神秘小RNA通过一系列十分精巧的分子机制守护了CRISPR-Cas9系统的结构和功能。”论文共同通讯作者、中科院微生物所研究员李明说。

事实上，CRISPR-Cas系统效应蛋白在细胞中具有双重生理功能。一个功能是众所周知的免疫功能，蛋白的一部分扮演着“分子警察”的角色，携带着写有病毒序列信息的“批捕文件”，寻找入侵的病毒DNA并将其消灭。

“而另一个功能则是我们发现的转录调控新功能。CRISPR-Cas系统效应蛋白的另一部分则手持着‘抗毒素’这一控制器，守护在‘定时炸弹——毒素’基因旁边，一旦CRISPR-Cas系统丢失或被病毒破坏，它们就会引爆‘炸弹’，‘炸毁’细胞中关键的蛋白质合成机器，使细胞休眠甚或死亡，这种个体牺牲机制保证CRISPR-Cas系统在群体中的稳定存在。”向华解释道。

研究团队还发现，来自不同种类的古菌和细菌的不同类型的 CRISPR-Cas系统中存在的“毒素”和“抗毒素”类似物在基因序列上也各不相同,多样性非常丰富。

李明表示，这项研究为理解CRISPR-Cas系统的稳定性维持和广泛性分布提供了全新视角，同时揭示了一类前所未知且功能多样的小RNA，开辟了一个全新的研究领域，将为原核微生物“非编码RNA暗物质世界”的研究打开一道宝贵的窗口。

“这些丰富多样的“暗物质”的深入发掘有可能进一步推动生物技术的发展，包括对基因组编辑工具的完善、抗肿瘤小RNA药物的设计、新型抗生素的研制等或将具有重要的启发意义。”向华补充道。