CRISPR-Cas系統(tǒng)是普遍存在于細菌和古菌中的一類古老的免疫系統(tǒng)，用于抵御防御外源遺傳元件（例如噬菌體）入侵。通過對它們的研究，科學家們開發(fā)出了CRISPR-Cas9等一系列強大的基因編輯工具。這些基因編輯工具都是RNA引導(dǎo)的核酸酶，對DNA或RNA進行切割。

此外，還有CRISPR相關(guān)轉(zhuǎn)座酶（CAST）系統(tǒng)，通過核酸酶失活的CRISPR效應(yīng)子引導(dǎo)Tn7樣移動遺傳元件到特定DNA序列，實現(xiàn)RNA引導(dǎo)的DNA插入。除了CAST系統(tǒng)，可能還有更多CRISPR-Cas系統(tǒng)相關(guān)的其他系統(tǒng)有待發(fā)現(xiàn)和探索。

2022年8月，康奈爾大學的可愛龍教授/胡純一博士等在 Science 期刊發(fā)表論文【1】。該研究揭示了CRISPR-Cas相關(guān)系統(tǒng)Cas7-11通過gRNA引導(dǎo)靶向激活蛋白酶Csx29，蛋白酶Csx29可對蛋白底物進行切割。Cas7-11和Csx29可形成穩(wěn)定的蛋白復(fù)合體，但相關(guān)蛋白酶的底物和功能尚不清楚。

2022年11月3日，張鋒團隊在 Science 期刊發(fā)表了題為：RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase 的研究論文【2】。

該研究確定了Cas7-11這種III-E型CRISPR相關(guān)蛋白酶（CASP）的蛋白底物、結(jié)構(gòu)和作用機制，揭示了CRISPR系統(tǒng)在核酸酶之外的新功能，并開發(fā)了可在體外和人類細胞中用于檢測RNA的RNA傳感。

CRISPR-Cas系統(tǒng)可以分為兩類，一類是由單個效應(yīng)蛋白行使功能（包括II、V和VI型），研究最深入、應(yīng)用最廣泛的Cas9就屬于II型；一類是由多個效應(yīng)蛋白組成蛋白復(fù)合物行使功能（包括I、III和IV型）。

Cas7-11是一種最近發(fā)現(xiàn)的III-E亞型CRISPR-Cas相關(guān)系統(tǒng)，由4個Cas7和1個Cas11結(jié)構(gòu)域融合形成一個大的效應(yīng)蛋白，其可能同時具有核酸酶和蛋白酶活性，這也意味著它可能是原核生物的一種新型防御機制。

研究團隊對Cas7-11進行了深入研究，Cas7-11和Csx29各自不能切割任何東西，但在靶向RNA存在的情況下，Cas7-11就會啟動并激活Csx29，進而切割Csx30。Csx30抑制sigma因子（σ），sigma因子是所有RNA聚合酶的輔助因子，而Csx29蛋白酶切割Csx30后，緩解了對sigma因子的抑制。

該研究揭示了III-E型CRISPR相關(guān)蛋白酶（CASP）的蛋白底物、結(jié)構(gòu)和作用機制，這種CASP系統(tǒng)顯示出了可編程的RNA激活的蛋白酶活性，可以解除Csx30對sigma因子的抑制，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。

CRISPR相關(guān)蛋白酶（CASP）系統(tǒng)通過三管齊下的策略來防御外源遺傳元件（噬菌體）的入侵：1）通過Cas7-11靶向切割RNA；2）Csx30-CASP-σ調(diào)控轉(zhuǎn)錄反應(yīng)；3）Csx31和Csx30 C端片段可能介導(dǎo)的第三種途徑。

此外，張鋒團隊還開發(fā)了Csx30的熒光標記工程變體，并證明了它在體外可以檢測低至250飛摩爾的RNA，而無需核酸擴增，還可以應(yīng)用于活細胞中的RNA轉(zhuǎn)錄檢測。研究團隊還在人類細胞中證實了這種CASP系統(tǒng)可以介導(dǎo)人類細胞中RNA激活的蛋白切割。

張鋒表示，這項研究揭示了CRISPR系統(tǒng)在核酸酶活性之外，還能協(xié)調(diào)更廣泛的細胞反應(yīng)，期望對CRISPR相關(guān)酶的持續(xù)研究將發(fā)現(xiàn)許多有趣的、潛在有用的RNA激活的生物過程。

值得一提的是，Science 同期還發(fā)表了來自東京大學Hiroshi Nishimasu、麻省理工學院Jonathan Gootenberg、Omar Abudayyeh等人的題為：RNA-triggered protein cleavage and cell growth arrest by the type III-E CRISPR nuclease-protease 的研究論文【3】，他們同時也是張鋒這篇 Science 論文的共同作者。

該研究解析了Cas7-11–crRNA–Csx29復(fù)合物的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，并證明了目標RNA結(jié)合誘導(dǎo)Csx29的構(gòu)象變化，設(shè)計了Cas7-11–Csx29–Csx30系統(tǒng)，用于哺乳動物細胞中的可編程RNA傳感。該研究表明，Cas7-11-Csx29效應(yīng)器是一種RNA依賴性核酸酶-蛋白酶系統(tǒng)。

研究團隊表示，Cas7-11系統(tǒng)明顯要比其他深入研究的CRISPR系統(tǒng)復(fù)雜得多，Cas7-11不僅僅是通過切割入侵噬菌體的遺傳物質(zhì)來發(fā)揮防御作用，而是通過一種更加優(yōu)雅和復(fù)雜的機制，來真正保護細菌免受侵害。

這些研究為理解復(fù)雜CRISPR系統(tǒng)打開了新的可能性，為疾病診斷和治療帶來了新的潛在工具，例如基于Cas7-11的RNA傳感，可以檢測病人樣本中的疾病特征，或限制對特定類型細胞的治療，使藥物發(fā)揮作用而不產(chǎn)生副作用。