Nature背靠背 | Sternberg團(tuán)隊(duì)與暢磊福團(tuán)隊(duì)合作揭示RNA引導(dǎo)轉(zhuǎn)錄調(diào)控新范式

CRISPR 系統(tǒng)最為人熟知的功能是“RNA 引導(dǎo)的 DNA 切割”。但在自然界中，也存在一類失去切割活性（nuclease-dead）的 Cas12f（dCas12f）。它不再充當(dāng)“分子剪刀”，而是被進(jìn)化改造為一種可編程的轉(zhuǎn)錄激活模塊。

2026年3月4日，哥倫比亞大學(xué)Samuel Sternberg團(tuán)隊(duì)與普渡大學(xué)暢磊福團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表兩篇背靠背研究Structural basis of RNA-guided transcription by a dCas12f–σE–RNAP complex和Exapted CRISPR–Cas12f homologues drive RNA-guided transcription。兩項(xiàng)工作分別從功能發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)機(jī)制兩個(gè)層面，系統(tǒng)揭示了dCas12f與外膜相關(guān)的ECF σ因子（σE）如何協(xié)同工作，在無需經(jīng)典啟動(dòng)子元件的情況下招募RNA聚合酶（RNAP），建立了一種全新的RNA-guided transcription調(diào)控邏輯。

功能篇：天然“CRISPRa”的發(fā)現(xiàn)

在功能研究中，作者在E. coli 體系中篩選了多種在細(xì)菌中呈遺傳連鎖的 dCas12f-σE 系統(tǒng)，并結(jié)合 RIP-seq / ChIP-seq 等實(shí)驗(yàn)建立了關(guān)鍵結(jié)論：

• 最小TAM識(shí)別：這些系統(tǒng)可識(shí)別非常簡(jiǎn)化的 5′-G target-adjacent motif（TAM），并在gRNA引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的DNA靶向結(jié)合。

• σE 招募依賴 dCas12f 與 gRNA：σE 的結(jié)合依賴 dCas12f 與gRNA，提示二者間存在直接或緊密的蛋白互作耦聯(lián)。

• 可編程招募 RNAP：共表達(dá)實(shí)驗(yàn)表明 dCas12f-gRNA-σE 三元復(fù)合物能夠進(jìn)一步招募 RNAP ，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄。

• 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSS）：最引人注目的是，該系統(tǒng)可在缺乏任何必需啟動(dòng)子motif的條件下實(shí)現(xiàn)強(qiáng)效表達(dá)；新產(chǎn)生的TSS并非由經(jīng)典啟動(dòng)子序列決定，而是由 dCas12f 形成的 R-loop 與其相對(duì)距離“幾何定義”。

這是一種自然界出現(xiàn)的、帶有明顯“CRISPRa特征”的 RNA 引導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活模式，但其規(guī)則更“幾何化”、更“結(jié)構(gòu)耦聯(lián)”。

結(jié)構(gòu)篇：dCas12f-σE-RNAP復(fù)合物如何裝配并啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄？

結(jié)構(gòu)研究以Flagellimonas taeanensis 的 dCas12f-σE 系統(tǒng)為模型，解析了多種構(gòu)象/組分狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，包括：dCas12f-gRNA，DNA結(jié)合態(tài) dCas12f-gRNA，以及DNA結(jié)合態(tài) dCas12f- σE-RNAP holoenzyme 復(fù)合物。這些結(jié)構(gòu)把功能篇提出的關(guān)鍵現(xiàn)象連接成一個(gè)可解釋的分子機(jī)制鏈條：

• 結(jié)構(gòu)顯示，識(shí)別簡(jiǎn)單 5′-G TAM 后，dCas12f 形成穩(wěn)定 R-loop，為后續(xù)的σE-RNAP 招募提供空間錨點(diǎn)。

• σE-RNAP被“定點(diǎn)”招募。在DNA靶向狀態(tài)下，dCas12f 與 σE、RNAP 形成穩(wěn)定裝配，使 RNA 引導(dǎo)的定位信息被直接“傳遞”給轉(zhuǎn)錄機(jī)器。

• TSS 的“距離標(biāo)尺”：結(jié)構(gòu)與功能結(jié)果共同指出：轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)在 R-loop 下游固定距離處發(fā)生；在該體系中，TSS 約位于TAM下游 ~46 bp的位置

• 顛覆經(jīng)典σ因子起始范式：在該體系中，?35 元件識(shí)別在很大程度上被 CRISPR 靶向所“取代”；對(duì) ?10 元件的穩(wěn)定也不再走經(jīng)典“插入口袋識(shí)別”的路線，而是通過堿基堆疊（stacking）相互作用來穩(wěn)定開鏈狀態(tài)。

由此呈現(xiàn)出一個(gè)清晰的分子圖景：RNA引導(dǎo)靶向承擔(dān)了“定位/起始框架”的主要職責(zé)，σE–RNAP則在被重新定義的幾何與構(gòu)象約束下完成轉(zhuǎn)錄起始。天然RNA-guided transcription機(jī)制與人類開發(fā)的CRISPRa理念相呼應(yīng)，但其“距離標(biāo)尺+結(jié)構(gòu)耦聯(lián)”的特征，可能為未來設(shè)計(jì)更可控、低損傷的基因激活工具提供新策略。

兩篇論文由哥倫比亞大學(xué) Samuel Sternberg 團(tuán)隊(duì)與普渡大學(xué)暢磊福團(tuán)隊(duì)合作完成。功能篇的通訊作者為 Samuel Sternberg，第一作者為 Florian Hoffmann；結(jié)構(gòu)篇的通訊作者為暢磊福與 Samuel Sternberg，第一作者為肖任堅(jiān)和 Florian Hoffmann，博士生謝丹參與了結(jié)構(gòu)研究相關(guān)工作。兩項(xiàng)研究亦得到了雙方團(tuán)隊(duì)多位成員的共同參與與貢獻(xiàn)。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10178-3；

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10166-7

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