CRISPR-Cas系统有效地保护细菌和古菌（又称古细菌）免受病毒及其他外源DNA的侵害，但作为防御系统，它们也会给宿主带来不可忽视的适合度代价（fitness cost），例如自身免疫风险和阻碍外源有益基因的获取。据推测，这些代价可能导致CRISPR-Cas在细菌中频繁丢失。然而，在目前的基因组序列数据库中，约40%的细菌基因组和约90%的古菌基因组携带CRISPR-Cas基因座，这表明除了适应性免疫的直接好处外，还可能存在降低CRISPR系统代价和防止其丢失的机制。

中国科学院微生物研究所研究员向华/李明团队，首次在自然界分布广泛的I型CRISPR-Cas基因簇内部发现：毒素-抗毒素（CreTA）RNA对可保护CRISPR-Cas系统。

研究人员研究了一种古老的I-B型CRISPR-Cas，其中编码CRISPR效应器Cascade多亚基的基因不能单独敲除，但可以作为一个整体敲除，包括311碱基对基因间区域。这些观察结果表明Cascade基因盒(cas6-cas8-cas7-cas5)包含一种毒性成分，使其对宿主上瘾（一旦任何级联基因被敲除，就会引发细胞毒性）。研究人员广泛分析了cas6和cas8之间的基因间区域，识别出级联抑制毒素基因creT，以及CRISPR重复序列，该序列似乎是creT转录抑制所必需的。研究假设重复序列是CRISPR RNA的一部分——类似于抗毒素（CreA）RNA，它通过级联作用共同抑制毒素。研究人员推断CreTA会使cascade对宿主上瘾。

cas6和cas8之间的基因间序列在缺乏一个或多个级联基因的细胞中引起毒性。通过广泛的突变分析，研究人员确定了RNA毒素基因creT及其关键元件，即一个强大的Shine-Dalgarno基序、一个有效的起始密码子、两个位于下游的次要精氨酸密码子（arginine，AGA）和一个稳定的茎-环（stem-loop）结构的组合。tRNAUCU的过度表达减轻了CreT的毒性，支持了这种RNA毒素通过隔离稀有精氨酸tRNAUCU阻止细胞生长的机制。

对creT及其相邻序列的突变分析显示，相邻CRISPR重复序列类似于抑制creT毒性所需的序列。这个重复序列后面紧跟着一个间隔序列和一个转录终止子。通过Northern杂交和RNA测序，研究验证了CreA-RNA的表达，CreA-RNA是一种CRISPR-RNA变体，缺少3’手柄。CreA的间隔区部分匹配creT的启动子（promoter of creT, PcreT），并且使用报告基因，研究证实CreA作为级联复合物抑制PcreT。与CRISPR干扰类似，creT的抑制需要原间隔相邻基序（protospacer adjacent motif, PAM）和PAM近端碱基配对。在缺乏CreTA的细胞中，级联基因容易被转座因子破坏。生物信息学分析确定了与不同的古菌和细菌CRISPR-cas基因座相关的几种CreTA类似物，并包含对应于相应CRISPR系统的PAM。值得注意的是，这些CreTA类似物在核酸序列中几乎不具有保守性，这表明它们在进化中高度分化，可以想象它们利用了不同的毒性机制。

研究数据揭示了以前未被注意到的毒素-抗毒素RNA对，它们通过使CRISPR-cas系统对宿主细胞上瘾来防止其丢失。CRISPR效应器自然发生的基因调控重编程突出了CRISPR-Cas在细菌和古菌中的多功能性，并阐明了抗病毒防御和基因调控进化的新主题。

参考文献：LI Ming, GONG Lu-yao, CHENG Fei-yue, et al. Toxin-antitoxin RNA pairs safeguard CRISPR-Cas systems[J]. Science,2021,372:eabe5601.