科學家找到守護“基因魔剪”的“暗物質” 推動生物技術進一步發展

CRISPR-Cas系統是微生物中廣泛存在的抗病毒免疫系統。該系統豐富多樣的功能組分和核酸靶向機制，為人類提供了迄今最高效的基因組編輯技術和基因檢測技術。2020年10月，基于CRISPR-Cas9系統建立的“基因魔剪”獲得了2020年度的諾貝爾化學獎。

4月30日，國際頂級期刊《科學》在線發表了中國科學院微生物所向華/李明團隊關于CRISPR-Cas系統的一項重要研究成果，揭開了CRISPR-Cas系統在微生物中穩定性的神秘機制。

CRISPR-Cas系統的維持和表達往往消耗大量的物質和能量，給宿主細胞造成一定的負擔，同時它也有發生“自免疫”的風險，即可能誤殺宿主細胞自己。因此，在進化過程中，細菌可能會丟棄CRISPR-Cas系統。

“可是，科學家們發現，CRISPR-Cas系統非常廣泛地存在于微生物基因組中，究竟是什么機制維持著CRISPR-Cas系統的穩定性，在微生物宿主基因組中是否存在一類保護CRISPR-Cas功能但至今尚未被揭示的‘暗物質’， 這是科學家長期關注而又未能充分認識的前沿科學問題。”論文共同通訊作者、中科院微生物所研究員向華介紹說。

向華/李明團隊從2009年就開始CRISPR抗病毒免疫機制研究。2014年，該團隊在研究西班牙鹽盒菌CRISPR-Cas系統時，發現其Cas5-8四個基因都無法單獨敲除，暗示其基因簇中存在護衛其穩定性的“暗物質”。經過近7年的探索，他們在Cas基因簇附近發現了一類由兩個小RNA組成的全新的毒素-抗毒素系統，兩個小RNA分別命名為CreT(毒素)和CreA(抗毒素)。

“我們發現這一對神秘小RNA通過一系列十分精巧的分子機制守護了CRISPR-Cas9系統的結構和功能。”論文共同通訊作者、中科院微生物所研究員李明說。

事實上，CRISPR-Cas系統效應蛋白在細胞中具有雙重生理功能。一個功能是眾所周知的免疫功能，蛋白的一部分扮演著“分子警察”的角色，攜帶著寫有病毒序列信息的“批捕文件”，尋找入侵的病毒DNA并將其消滅。

“而另一個功能則是我們發現的轉錄調控新功能。CRISPR-Cas系統效應蛋白的另一部分則手持著‘抗毒素’這一控制器，守護在‘定時炸彈——毒素’基因旁邊，一旦CRISPR-Cas系統丟失或被病毒破壞，它們就會引爆‘炸彈’，‘炸毀’細胞中關鍵的蛋白質合成機器，使細胞休眠甚或死亡，這種個體犧牲機制保證CRISPR-Cas系統在群體中的穩定存在。”向華解釋道。

研究團隊還發現，來自不同種類的古菌和細菌的不同類型的 CRISPR-Cas系統中存在的“毒素”和“抗毒素”類似物在基因序列上也各不相同,多樣性非常豐富。

李明表示，這項研究為理解CRISPR-Cas系統的穩定性維持和廣泛性分布提供了全新視角，同時揭示了一類前所未知且功能多樣的小RNA，開辟了一個全新的研究領域，將為原核微生物“非編碼RNA暗物質世界”的研究打開一道寶貴的窗口。

“這些豐富多樣的“暗物質”的深入發掘有可能進一步推動生物技術的發展，包括對基因組編輯工具的完善、抗腫瘤小RNA藥物的設計、新型抗生素的研制等或將具有重要的啟發意義。”向華補充道。(陸成寬)