Science：一种可以切割蛋白质的CRISPR-Cas系统

CRISPR-Cas系统是普遍存在于细菌和古菌中的一类古老的免疫系统，用于抵御防御外源遗传元件（例如噬菌体）入侵。通过对它们的研究，科学家们开发出了CRISPR-Cas9等一系列强大的基因编辑工具。这些基因编辑工具都是RNA引导的核酸酶，对DNA或RNA进行切割。此外，还有CRISPR相关转座酶（CAST）系统，通过核酸酶失活的CRISPR效应子引导Tn7样移动遗传元件到特定DNA序列，实现RNA引导的DNA插入。

除了CAST系统，可能还有更多CRISPR-Cas系统相关的其他系统有待发现和探索。2022年8月，康奈尔大学的可爱龙教授/胡纯一博士等在 Science 期刊发表论文【1】。该研究揭示了CRISPR-Cas相关系统Cas7-11通过gRNA引导靶向激活蛋白酶Csx29，蛋白酶Csx29可对蛋白底物进行切割。Cas7-11和Csx29可形成稳定的蛋白复合体，但相关蛋白酶的底物和功能尚不清楚。

2022年11月3日，张锋团队在 Science 期刊发表了题为：RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase 的研究论文【2】。

该研究确定了Cas7-11这种III-E型CRISPR相关蛋白酶（CASP）的蛋白底物、结构和作用机制，揭示了CRISPR系统在核酸酶之外的新功能，并开发了可在体外和人类细胞中用于检测RNA的RNA传感。

CRISPR-Cas系统可以分为两类，一类是由单个效应蛋白行使功能（包括II、V和VI型），研究最深入、应用最广泛的Cas9就属于II型；一类是由多个效应蛋白组成蛋白复合物行使功能（包括I、III和IV型）。

Cas7-11是一种最近发现的III-E亚型CRISPR-Cas相关系统，由4个Cas7和1个Cas11结构域融合形成一个大的效应蛋白，其可能同时具有核酸酶和蛋白酶活性，这也意味着它可能是原核生物的一种新型防御机制。

研究团队对Cas7-11进行了深入研究，Cas7-11和Csx29各自不能切割任何东西，但在靶向RNA存在的情况下，Cas7-11就会启动并激活Csx29，进而切割Csx30。Csx30抑制sigma因子（σ），sigma因子是所有RNA聚合酶的辅助因子，而Csx29蛋白酶切割Csx30后，缓解了对sigma因子的抑制。

该研究揭示了III-E型CRISPR相关蛋白酶（CASP）的蛋白底物、结构和作用机制，这种CASP系统显示出了可编程的RNA激活的蛋白酶活性，可以解除Csx30对sigma因子的抑制，从而调节转录反应。

CRISPR相关蛋白酶（CASP）系统通过三管齐下的策略来防御外源遗传元件（噬菌体）的入侵：1）通过Cas7-11靶向切割RNA；2）Csx30-CASP-σ调控转录反应；3）Csx31和Csx30 C端片段可能介导的第三种途径。

CRISPR相关蛋白酶（CASP）系统防御外源遗传元件的三管齐下的策略

此外，张锋团队还开发了Csx30的荧光标记工程变体，并证明了它在体外可以检测低至250飞摩尔的RNA，而无需核酸扩增，还可以应用于活细胞中的RNA转录检测。研究团队还在人类细胞中证实了这种CASP系统可以介导人类细胞中RNA激活的蛋白切割。

张锋表示，这项研究揭示了CRISPR系统在核酸酶活性之外，还能协调更广泛的细胞反应，期望对CRISPR相关酶的持续研究将发现许多有趣的、潜在有用的RNA激活的生物过程。

值得一提的是，Science 同期还发表了来自东京大学Hiroshi Nishimasu、麻省理工学院Jonathan Gootenberg、Omar Abudayyeh等人的题为：RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease 的研究论文【3】，他们同时也是张锋这篇 Science 论文的共同作者。

该研究解析了Cas7-11–crRNA–Csx29复合物的冷冻电镜结构，并证明了目标RNA结合诱导Csx29的构象变化，设计了Cas7-11–Csx29–Csx30系统，用于哺乳动物细胞中的可编程RNA传感。该研究表明，Cas7-11-Csx29效应器是一种RNA依赖性核酸酶-蛋白酶系统。

研究团队表示，Cas7-11系统明显要比其他深入研究的CRISPR系统复杂得多，Cas7-11不仅仅是通过切割入侵噬菌体的遗传物质来发挥防御作用，而是通过一种更加优雅和复杂的机制，来真正保护细菌免受侵害。这些研究为理解复杂CRISPR系统打开了新的可能性，为疾病诊断和治疗带来了新的潜在工具，例如基于Cas7-11的RNA传感，可以检测病人样本中的疾病特征，或限制对特定类型细胞的治疗，使药物发挥作用而不产生副作用。

原始出处：

1. CHUNYI HU， et al. Craspase is a CRISPR RNA-guided， RNA-activated protease. SCIENCE， 25 Aug 2022， Vol 377， Issue 6612，pp. 1278-1285.

2. JONATHAN STRECKER， et al. RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase. SCIENCE， 3 Nov 2022.

3. KAZUKI KAT， et al. RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease. SCIENCE， 3 Nov 2022， First Release， DOI： 10.1126/science.add7347.