NSMB | Cas9祖先如何“踩油门”？胡纯一/胥春龙合作揭示IscB自抑制与激活机制|dna|rna|核酸|结构域|胡纯一|胥春龙

CRISPR–Cas系统是目前基因编辑的最佳解决方案之一。然而，当前主流CRISPR核酸酶（如Cas9和Cas12）普遍体积较大，这在一定程度上限制了其在临床基因治疗中的递送效率。近年来，一类来源于转座子系统的紧凑型RNA引导核酸酶——OMEGA系统 ( O bligate M obile E lement G uided A ctivity syste m) 逐渐受到关注，其中 IscB ( Insertion sequence Cas9-like protein B ) 被认为是 Cas9 的进化祖先，仅约500个氨基酸大小，具有成为新一代基因编辑工具的潜力【1,2】。

然而，与Cas9相比，人们对IscB如何被激活、如何避免错误切割DNA等关键问题仍缺乏深入理解。此前研究仅解析了IscB与DNA结合后的R-loop结构，并且这个结构里面HNH核酸酶结构域是不清晰的，因此 IscB从“静息状态”到“活化状态”的整个过程仍然是一个未解之谜【3】。

2026年3月25日，来自新加坡国立大学的胡纯一团队和上海临港实验室胥春龙团队合作，在 Nature Structural & Molecular Biology 发表题为 Structural insight into IscB’s RNA-lid-based inactivation mechanism 研究成果，通过冷冻电镜系统解析了IscB在不同功能状态下的结构变化轨迹，揭示了一种独特的RNA介导的自抑制机制以及逐步激活模型。

捕捉IscB激活全过程

在这项研究中，研究团队利用工程化IscB（enIscB）和与IscB结合的ωRNA【4】作为研究对象，并解析了四种关键结构状态：

1. 无DNA结合的静息状态（apo）

2. 6 nt guide–target配对的初始中间态

3. 10 nt配对的进一步中间态

4. 16 nt完全配对的活化状态

这些结构的分辨率达到约 3 Å ，首次构建出IscB从静息到活化的完整结构轨迹。

结构比较显示，随着guide RNA与目标DNA逐步配对，IscB发生一系列构象变化，最终形成稳定的R-loop结构并激活核酸酶活性。

图1 IscB激活的构象变化

RNA“盖子”锁住核酸酶：双重自抑制机制

研究发现，在静息状态下，IscB通过一种巧妙的 RNA介导自抑制机制来避免错误切割DNA。具体而言，IscB的两个核酸酶结构域分别被不同的RNA结构“盖住”：

1 ωRNA lid

ωRNA类似于Cas9的sgRNA，与IscB结合提供guide和结构支撑。

图2 ωRNA形成类似“盖子”的结构覆盖在 HNH活性中心上，阻止DNA接近催化位点。

2 guide RNA lid

Guide RNA位于ωRNA的5 ’ 端,为IscB核酸酶活性提供RNA guide 。

图3 guide RNA本身也覆盖在 RuvC活性位点上，阻止非特异DNA进入。

这种双RNA盖结构（dual RNA lids）相当于为IscB加上了两道“安全锁”，确保核酸酶只有在正确识别目标DNA时才会被激活。

“油门踏板”模型：IscB如何被激活

进一步结构分析揭示了IscB的激活方式。

图4 随着碱基配对增加， target DNA逐渐“压下”guide RNA这一结构元件。

当配对长度达到约11个碱基时，guide RNA发生关键位移，从而触发IscB结构重排并激活核酸酶。这一发现表明 11 nt配对是IscB激活的重要阈值。

图5 作者将这一过程形象的类比为汽车踏板-油门模型

HNH结构域的90°旋转

在IscB激活过程中，另一个关键事件是 HNH结构域发生约90°旋转。

这一旋转由两个短的 hinge结构控制，它们像机械铰链一样驱动结构域移动。研究人员发现，这些hinge区域不仅决定IscB的构象变化，还对其功能至关重要。

图6 铰链结构驱动的HNH构象变化

结构指导工程化改造

在理解IscB激活机制后，研究团队进一步对hinge区域进行了工程化设计。在DNMT1位点的测试中，优化后的IscB变体在编辑效率接近Cas9的同时，基因组转位率（translocation rate）约为Cas9的一半，显示出潜在的更高安全性。

为下一代小型基因编辑工具提供蓝图

总体而言，这项研究首次揭示了IscB从静息到激活的完整结构路径，并提出：

RNA lid自抑制机制
汽车踏板-油门激活模型
hinge驱动的 HNH结构域构象变化

这些发现不仅深化了人们对CRISPR祖先核酸酶的理解，也为开发更小、更安全的基因编辑工具提供了重要结构基础。随着对IscB机制的进一步探索，这一紧凑型RNA引导核酸酶有望成为未来基因治疗领域的重要工具。

上海临港实验室胥春龙教授，新加坡国立大学胡纯一教授，博士后马升升为论文共同通讯作者。新加坡国立大学博士生王飞佐,博士后张森锋,上海临港实验室郭若晨为论文共同第一作者。此外，上海交通大学附属上海市第九人民医院骨科，上海市骨科植入物重点实验室马培翔教授，新加坡国立大学Ziqing Winston Zhao教授、骆敏教授，中科院大连化物所徐鑫研究员，浙江大学附属儿童医院胡涛研究员等都做出了贡献。

https://www.nature.com/articles/s41594-026-01761-3

制版人：十一

参考文献

1. Altae-Tran, H., et al., The widespread IS200/IS605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases.Science(New York, N.Y.), 2021. 374(6563): p. 57-65.

2. Wang, F., et al., CRISPR beyond: harnessing compact RNA-guided endonucleases for enhanced genome editing.Sci China Life Sci, 2024. 67(12): p. 2563-2574.

3. Schuler, G., C. Hu, and A. Ke, Structural basis for RNA-guided DNA cleavage by IscB-ωRNA and mechanistic comparison with Cas9.Science, 2022. 376(6600): p. 1476-1481.

4. Han, D., et al., Development of miniature base editors using engineered IscB nickase.Nature Methods, 2023. 20(7): p. 1029-1036.

学术合作组织

（*排名不分先后）