CRISPR-Cas系統是普遍存在于細菌和古菌中的一類古老的免疫系統，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引導的核酸酶，對DNA或RNA進行切割。此外，還有CRISPR相關轉座酶（CAST）系統，通過核酸酶失活的CRISPR效應子引導Tn7樣移動遺傳元件到特定DNA序列，實現RNA引導的DNA插入。
除了CAST系統，可能還有更多CRISPR-Cas系統相關的其他系統有待發現和探索。2022年8月，康奈爾大學的可愛龍教授/胡純一博士等在 Science 期刊發表論文。該研究揭示了CRISPR-Cas相關系統Cas7-11通過gRNA引導靶向激活蛋白酶Csx29，蛋白酶Csx29可對蛋白底物進行切割。Cas7-11和Csx29可形成穩定的蛋白復合體，但相關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 期刊發表了題為：RNA-activated protein cleavage with a CRISPR-associated endopeptidase 的研究論文。
該研究確定了Cas7-11這種III-E型CRISPR相關蛋白酶（CASP）的蛋白底物、結構和作用機制，揭示了CRISPR系統在核酸酶之外的新功能，并開發了可在體外和人類細胞中用于檢測RNA的RNA傳感。
CRISPR-Cas系統可以分為兩類，一類是由單個效應蛋白行使功能（包括II、V和VI型），研究最深入、應用最廣泛的Cas9就屬于II型；一類是由多個效應蛋白組成蛋白復合物行使功能（包括I、III和IV型）。
Cas7-11是一種最近發現的III-E亞型CRISPR-Cas相關系統，由4個Cas7和1個Cas11結構域融合形成一個大的效應蛋白，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相關蛋白酶（CASP）的蛋白底物、結構和作用機制，這種CASP系統顯示出了可編程的RNA激活的蛋白酶活性，可以解除Csx30對sigma因子的抑制，從而調節轉錄反應。
CRISPR相關蛋白酶（CASP）系統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調控轉錄反應；3）Csx31和Csx30 C端片段可能介導的第三種途徑。
CRISPR相關蛋白酶（CASP）系統防御外源遺傳元件的三管齊下的策略
此外，張鋒團隊還開發了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，還可以應用于活細胞中的RNA轉錄檢測。研究團隊還在人類細胞中證實了這種CASP系統可以介導人類細胞中RNA激活的蛋白切割。
張鋒表示，這項研究揭示了CRISPR系統在核酸酶活性之外，還能協調更廣泛的細胞反應，期望對CRISPR相關酶的持續研究將發現許多有趣的、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，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復合物的冷凍電鏡結構，并證明了目標RNA結合誘導Csx29的構象變化，設計了Cas7-11–Csx29–Csx30系統，用于哺乳動物細胞中的可編程RNA傳感。該研究表明，Cas7-11-Csx29效應器是一種RNA依賴性核酸酶-蛋白酶系統。
研究團隊表示，Cas7-11系統明顯要比其他深入研究的CRISPR系統復雜得多，Cas7-11不僅僅是通過切割入侵噬菌體的遺傳物質來發揮防御作用，而是通過一種更加優雅和復雜的機制，來真正保護細菌免受侵害。這些研究為理解復雜CRISPR系統打開了新的可能性，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，使藥物發揮作用而不產生副作用。
論文鏈接：
//www.science.org/doi/10.1126/science.add5064
//www.science.org/doi/10.1126/science.add7450
//www.science.org/doi/10.1126/science.add7347
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