来源：丁香学术
在基因治疗领域，CRISPR-Cas 系统凭借其强大的基因编辑能力展现出巨大的潜力，然而，免疫原性问题却成为其临床应用的关键阻碍。多数健康个体对源于细菌的 Cas 核酸酶存在预存免疫，严重限制了 CRISPR-Cas 系统在治疗中的有效性和安全性。
张锋院士团队长期深耕基因编辑领域，成果丰硕，在 CRISPR-Cas 技术的发展和应用拓展上贡献卓越。在前期研究中，团队率先将 CRISPR-Cas9 成功应用于哺乳动物和人类细胞，为该技术在生物医学研究和治疗领域的广泛应用奠定基础；同时不断挖掘新型微生物酶和系统，探索其应用潜力，推动基因编辑技术的边界拓展。
此外，张锋院士团队在 2025 年发表于Nature Communications 和 Cell的两项研究成果，从不同角度为解决基因编辑面临的难题提供了新思路。一方面，通过对 SaCas9 和 AsCas12a 核酸酶进行深入分析，成功设计出低免疫原性的变体，显著降低了免疫反应，为基因治疗提供了更安全有效的工具（点击阅读：）；
另一方面，探究 RNA 靶向的 CRISPR-Cas13 系统的进化起源，发现其可能源于 RNA 毒素-抗毒素系统，这不仅加深了对 CRISPR-Cas 系统进化的理解，也为优化相关技术提供了理论依据。这些研究成果对于推动基因编辑技术在临床治疗中的实际应用具有重要意义。
2025 年 2 月 18 日，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的张锋院士团队在Cell期刊上发表「Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins」的研究论文，该研究揭示了 RNA 靶向的 CRISPR-Cas13 系统起源于 RNA 毒素-抗毒素系统，为 CRISPR-Cas 系统进化提供理论依据，拓宽了对原核生物基于 RNA 免疫系统分子机制的理解。这有助于深入认识生物进化过程，也为优化和开发 CRISPR-Cas13 技术提供了新思路，推动了基因编辑技术发展。
图 1 相关研究（图源：[1]）
1、探究 Cas13 的进化起源
CRISPR-Cas13 系统的进化源头是什么？为了深入了解 Cas13 的进化历程，研究人员采用了一种结合序列和结构的混合搜索方法。通过对大量蛋白质数据库的筛选和分析，他们发现 AbiF 和 F13a1/2 是与 Cas13 在结构和序列上最相似的蛋白，是 Cas13 可能的祖先核酸酶。在进化过程中，AbiF 的 ncRNA 发生了变化，AbiF 蛋白经历了基因复制、融合以及与 ncRNA 相互作用的改变，逐步演化为 Cas13。
在这个过程中，一些关键的结构变化，如特定结构域的插入和 ncRNA 结合位点的迁移，使得 AbiF 从一个非特异性的毒素 RNA 核酸酶逐渐转变为 RNA 引导的 CRISPR 效应子。此外，研究人员还对 AbiF、F13a1 和 c13c1 等相关蛋白与 ncRNA 的关联进行了研究，发现 cis 编码的 ncRNA 在 Cas13 从 AbiF 进化的过程中起到了关键作用。
图 2 Cas13 祖先的鉴定（图源：[1]）
2、AbiF 和 Cas13e 的功能与结构特征
AbiF 和新型 Cas13e 在功能和结构上有何特点？研究人员对 AbiF 和 Cas13e 进行了深入的功能和结构研究。实验表明，AbiF 是一种由 ncRNA 抑制的毒素核酸酶，属于 III 型毒素-抗毒素（TA）系统。AbiF 的 ncRNA（AbiFr）能与 AbiF 蛋白结合，抑制其 RNase 活性，影响细菌生长和质粒稳定性，这种抑制作用对维持细胞的正常生理功能至关重要。
而 Cas13e 是一种新型的 Cas13 亚型，具有 RNA 引导的 RNA 靶向活性，它在进化过程中处于 AbiF 和其他已知 Cas13 之间的中间状态，为理解 Cas13 系统的进化提供了重要线索。研究人员还通过冷冻电镜解析了 AbiF 核糖核蛋白（RNP）复合物的结构，发现 AbiFr 与 AbiF 蛋白形成 2:2 的对称 RNP，通过特定的碱基相互作用稳定结合，其中 ncRNA 的 5' 端延伸部分精确地定位在 HEPN 活性位点，可能参与了对 AbiF 活性的抑制和 ncRNA 的加工。
图 3 AbiF RNase 活性被 AbiFr ncRNA 抑制（图源：[1]）
该研究通过混合序列/结构搜索、生化及结构表征等方法，发现 RNA 靶向的 CRISPR-Cas13 系统起源于 RNA 毒素-抗毒素系统，AbiF 和 F13a1/2 是 Cas13 的可能祖先。AbiF 是 III 型毒素-抗毒素系统，其 ncRNA（AbiFr）可抑制自身 RNase 活性，研究解析了 AbiF RNP 复合物结构以揭示其抑制机制。
此外，鉴定出进化中间体 Cas13e，它能结合 crRNA 并进行 RNA 引导的 RNA 切割。该研究也明确了 Cas13 系统的进化路径，为理解原核生物 RNA 免疫机制提供了依据，也为 CRISPR-Cas13 技术的优化和拓展奠定了理论基础。
然而，本研究虽取得重要成果，但仍有问题待解决。结构分析仅纳入 AlphaFold2 预测可信度高的蛋白家族，部分不完整蛋白未被考虑；此外，研究仅聚焦部分 AbiF 样系统，由于其多样性，还有很多系统未被充分研究。后续研究可针对这些问题展开，进一步完善对 CRISPR-Cas13 系统进化的认知。
参考资料：
[1] Zilberzwige-Tal, Shai et al. Reprogrammable RNA-targeting CRISPR systems evolved from RNA toxin-antitoxins. Cell. 2025 April 3.
通讯作者：
张锋，斯坦福大学化学及生物工程博士，美国艺术与科学院院士，美国国家科学院院士，美国国家发明家科学院院士，美国国家医学院院士，麻省理工学院教授，麦戈文脑科学研究所研究员，博德研究所研究员，国际公认的 CRISPR-Cas 基因编辑技术先驱之一，2016 年 1 月入选汤森路透「2015 年全世界 19 位最具影响力的科学家」 之一，9 月入围汤森路透化学领域「引文桂冠奖 」；2017 年晋升为麻省理工学院终身教授；2018 年 4 月当选为美国艺术与科学院院士，5 月当选为美国国家科学院院士；2020 年 12 月当选为美国国家发明家科学院院士；2021 年 10 月当选为美国国家医学院院士。他的研究团队致力于解决基因治疗中基因组编辑工具的免疫原性等关键问题。其团队通过对 SaCas9 和 AsCas12a 等核酸酶的深入研究，运用 MHC 相关肽蛋白质组学（MAPPs）分析及计算建模等方法，成功设计出低免疫原性的变体，为基因治疗工具的优化做出了重要贡献，推动了基因编辑技术在临床应用方面的发展，在基因治疗领域具有广泛的影响力。
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图片来源：图虫创意
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