重大突破！Nature：CRISPR - Cas9 除基因编辑外，竟还能这样调控细菌免疫

在生物技术领域，CRISPR-Cas9 早已是家喻户晓的 “基因剪刀”——从遗传病治疗到作物育种，它的应用几乎贯穿整个生命科学研究。但很少有人知道，这个强大工具在细菌自己的 “免疫战场” 上，还藏着一套鲜为人知的 “调节技能”。

近日，密歇根大学团队在《Nature》发表重磅研究，首次揭示：CRISPR-Cas9 中的Cas9 蛋白，除了作为 RNA 引导的核酸酶切割 DNA，还能在没有crRNA（CRISPR RNA） 和tracrRNA（反式激活 CRISPR RNA） 陪伴时，像 “免疫哨兵” 一样感知细胞内 crRNA 的水平，动态调节细菌的 “免疫记忆” 深度——当记忆库空虚时加速补充，当记忆充足时及时 “刹车”，既帮细菌对抗病毒，又避免误伤自身。

细菌和病毒的 “军备竞赛” 从未停歇，而 CRISPR-Cas 系统是细菌最核心的 “免疫武器”：它会将入侵病毒的 DNA 片段（称为 “间隔序列”）整合到自身基因组的 CRISPR 数组中，形成 “免疫记忆”；后续再遇到同种病毒时，数组转录出的 crRNA 会引导 Cas9 精准切割病毒 DNA。据估计，全球约 50% 的细菌都携带 CRISPR-Cas 系统，在某些环境中这一比例甚至更高——足以见得它对细菌生存的重要性。但长期以来，科学家们只知道 Cas9 需要 crRNA/tracrRNA 才能发挥切割作用，却不清楚当这两种 RNA 缺失时，Cas9 是否还有其他功能，更不知道它如何调控 “免疫记忆” 的更新节奏。

为解开这个谜题，研究团队以脑膜炎奈瑟菌（Neisseria meningitidis） 为研究模型——这种细菌携带 II-C 型 CRISPR-Cas 系统，且容易被MDAΦ 噬菌体感染（该噬菌体不会裂解细菌，但会整合到宿主基因组影响致病性）。

他们通过基因编辑构建了多种突变菌株：比如R₂₆ 菌株（仅保留 CRISPR 数组的一个重复序列，无法产生成熟 crRNA，相当于 “crRNA 缺失型”）、Δtracr 菌株（缺失 tracrRNA），以及 Cas9 结构突变体（如Cas9^H1024A，破坏其 PAM 结合位点，无法识别病毒 DNA 的 PAM 序列）。同时，他们用转录组测序、Northern blot（检测 crRNA/tracrRNA 水平）、Western blot（验证 Cas9 蛋白表达）和高通量测序（分析新获取的间隔序列）等技术，全面追踪 Cas9 的功能。

超适应表型是由Δtracr或缺乏crRNA引起的

实验结果首先揭示了一个关键现象：当 crRNA 或 tracrRNA 缺失时，细菌会出现 “超适应（super-adaptation）” 表型——间隔序列的获取效率大幅提升。比如，在 Cas1-Cas2（负责整合间隔序列的酶）过表达条件下，正常菌株的间隔序列获取效率仅 6%，而 Δtracr 菌株直接飙升到 61%，甚至能同时获取 2-4 个新间隔序列；R26 菌株的获取效率也从 5% 提升到 44%。更重要的是，这种超适应完全依赖 Cas9——如果敲除 cas9，Δtracr 或 R₂₆ 菌株的获取效率会骤降到 2-3%，且新间隔序列不再有正确的 PAM（3’-N4GATT），证明是apoCas9（无 RNA 结合的 Cas9） 在驱动这一过程。

深入研究发现，Cas9 的 “调节技能” 核心是 “感知 crRNA 水平”：当细菌的 CRISPR 数组较短（比如仅 1 个重复序列）时，crRNA 产量极低，大量 Cas9 以 apoCas9 形式存在，它们会促进 Cas1-Cas2 整合新的病毒间隔序列，快速扩展 “免疫记忆库”——此时间隔序列获取效率高达 31%；随着 CRISPR 数组逐渐变长（比如含有 25 个间隔序列），crRNA 水平随之升高，它们会与 Cas9 结合形成复合物，使 apoCas9 减少，从而抑制间隔序列获取，效率降至 4-6%。这种调节能避免细菌过度获取间隔序列——如果无限制获取，可能会误将自身 DNA 当作病毒片段整合，引发 “自身免疫” 风险。

研究团队还在 “自然数组收缩” 的细菌中验证了这一机制：当细菌因基因重组丢失部分间隔序列（比如从 25 个减少到 9 个），crRNA 水平会随之下降，apoCas9 再次增多，间隔序列获取效率从 5% 提升到 9-15%，帮助细菌快速补充丢失的免疫记忆。更令人惊喜的是，这种功能在进化上高度保守——除了空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）的 CjeCas9 外，其他多种 II-C 型 Cas9（如流感嗜血杆菌的 HpaCas9、巴氏杆菌的 PmuCas9）都能通过 apoCas9 调节间隔序列获取，且新间隔序列的 PAM 偏好与各自的 CRISPR 系统一致，证明这是细菌普遍具备的 “免疫调节策略”。

这项研究彻底刷新了我们对 CRISPR-Cas9 的认知：它不仅是一把精准的 “基因剪刀”，还是细菌免疫记忆的 “智能调节器”。这一发现不仅填补了 CRISPR 系统 “适应机制” 的空白，还为生物技术应用提供了新方向——比如通过调控 apoCas9 活性，优化 CRISPR-based 分子记录工具（记录细胞内事件），或改造益生菌的 CRISPR 系统，增强其对抗有害病毒的能力。未来，当我们再谈论 CRISPR-Cas9 时，或许会多一个视角：它不仅是人类的科研工具，更是细菌在亿万年进化中锤炼出的 “免疫智慧” 结晶。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Zhou, X., Diao, R., Li, X. et al. Cas9 senses CRISPR RNA abundance to regulate CRISPR spacer acquisition. Nature (2025). doi：10.1038/s41586-025-09577-9