細(xì)菌與噬菌體之間的共同 演化 通常表現(xiàn)為激烈的“軍備競賽” 。例如， 細(xì)菌 通過 CRISPR-Cas系統(tǒng)來抵御外來 噬菌體 入侵，而噬菌體則 利用Anti-CRISPR 蛋白來抑制這種免疫反應(yīng)（圖1）。然而， 在這場攻防博弈中， 噬菌體是否會裝備CRISPR -Ca s系統(tǒng)，并“反向利用”細(xì)菌體內(nèi)蛋白 進(jìn)行功能 激活 ？ 這一獨(dú)特的機(jī)制此前鮮有報(bào)道。

2026年1月2 日， 上?？萍即髮W(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院季泉江課題組 在NatureMicrobiology發(fā)表了題為Phage-associated Cas12p nucleases require binding to bacterial thioredoxin for activation and cleavage of target DNA的研究論文。 該研究發(fā)現(xiàn)了一類噬菌體來源的新型超小型Cas12核酸酶——Cas12p（500-700 個(gè)氨基酸 ），并揭示了其通過“劫持”細(xì)菌體內(nèi)的硫氧還蛋白（TrxA）來激活自身DNA切割活性的獨(dú)特分子機(jī)制（圖1）。

圖 1 ：Anti-CRISPR（左）與CRISPR activation （右）機(jī)制示意圖

CRISPR-Cas系統(tǒng)源自微生物的獲得性免疫機(jī)制，在基因治療領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，多種V型CRISPR-Cas12系統(tǒng)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)和表征，它們在蛋白結(jié)構(gòu)、核酸靶向機(jī)制及生物學(xué)功能 等 方面呈現(xiàn)出豐富的多樣性。研究團(tuán)隊(duì)推測自然界中仍蘊(yùn)藏著大量未知變體，并據(jù)此建立了一套高效的 V 型 CRISPR- Cas系統(tǒng) 挖掘流程，從宏基因組數(shù)據(jù)中 篩選出多種未被報(bào)道的候選Cas12蛋白（圖2）。AlphaFold結(jié)構(gòu)預(yù)測顯示，Cas12p的識別（Recognition，REC）結(jié)構(gòu)域存在一處內(nèi)部無序區(qū)域，這一特征暗示其可能具備特殊功能。 基于此， 研究團(tuán)隊(duì)將Cas12p選定為核心研究對象。 進(jìn)化分析表明，Cas12p可能是轉(zhuǎn)座相關(guān)蛋白TnpB向Cas12核酸酶進(jìn)化的早期中間體。

圖 2 ： CRISPR-Cas12 系統(tǒng)的挖掘

a. 新型CRISPR-Cas12系統(tǒng)的生物信息學(xué) 挖掘 流程。 b . 候選Cas12蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測。 c. 微型CRISPR-Cas12系統(tǒng)的基因座結(jié)構(gòu)。 d. 不同Cas12蛋白的長度。 e. TnpB 蛋白與其他微型 Cas12 變體之間的進(jìn)化關(guān)系樹。

為了闡明Cas12p的作用機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)利用冷凍電鏡技術(shù)解析了Cas12p復(fù)合物的高分辨率結(jié)構(gòu)（圖3）。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，Cas12p與一個(gè)細(xì)菌內(nèi)源性蛋白存在緊密的相互作用。隨后的生化實(shí)驗(yàn)和質(zhì)譜分析確證了TrxA是Cas12p的特異性結(jié)合伴侶。

機(jī)制研究闡明了TrxA激活Cas12p的分子基礎(chǔ) 。Cas12p利用其獨(dú)特的TrxA結(jié)合（TrxA binding，TB）結(jié)構(gòu)域，主要通過疏水相互作用與TrxA形成穩(wěn)定的異源二聚體（圖3）。TrxA的結(jié)合誘導(dǎo)了Cas12p發(fā)生變構(gòu)，將原本靈活的 TB.b環(huán) 鎖定在特定構(gòu) 象。這種空間上的精準(zhǔn)限位使得TB.b環(huán)能通過靜電相互作用識別sgRNA-DNA 雜合雙鏈 ，進(jìn)而激活核酸酶的底物切割活性。

細(xì)菌遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，敲除 trxA 基因會導(dǎo)致Cas12p喪失基因組干擾能力，而回補(bǔ) trxA 則能完全恢復(fù)其活性。這一系列證據(jù)證實(shí)，TrxA是Cas12p發(fā)揮功能所必需的“激活開關(guān)”。

Cas12p作為一種超小型核酸酶，其緊湊的尺寸降低了基因治療的遞送門檻。本研究揭示的“宿主因子輔助激活”機(jī)制為基因編輯工具的效率優(yōu)化與活性調(diào)控提供了新方向。通過引入特定輔助因子和改造相關(guān)結(jié)構(gòu)域，研究人員不僅有望提升其他超小型Cas蛋白的活性，還能利用對輔助因子的依賴性構(gòu)建“分子開關(guān)”，實(shí)現(xiàn)對基因編輯的精準(zhǔn)調(diào)控，從而開發(fā)出兼具高活性與高安全性的基因編輯系統(tǒng)。

上?？萍即髮W(xué) 物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 季泉江課題組博士后王志鵬和王玉玨為該論文的共同第一作者，季泉江教授為通訊作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41564-025-02224-z

制版人： 十一

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