2026年3月18日，中国科学院深圳先进技术研究院马迎飞团队在Cell Host & Microbe（IF=18.7）在线发表题为“Discovery of human gut phage-encoded anti-CRISPR proteins unveils diverse mechanisms for phages to evade type II CRISPR immunity”的研究论文。

 人类肠道微生物组构成了一个动态的生态系统，其中细菌和噬菌体参与了一场共同进化的军备竞赛，这对维持肠道微生物稳态至关重要。人类肠道病毒组由不同的噬菌体群体主导，通过捕食、溶源和水平基因转移深刻地塑造了微生物群落。细菌通过各种策略对抗噬菌体威胁，包括适应性免疫系统，特别是CRISPR-Cas。这些系统通过间隔序列靶向噬菌体基因组。作为回应，噬菌体进化出了抗CRISPR (Acr)蛋白来中和这些细菌防御。值得注意的是，人类肠道细菌拥有异常多样的CRISPR-Cas系统，具有广泛针对常驻噬菌体基因组的间隔序列，表明了强烈的捕食者-猎物动态。特别是，在人类肠道中，温和噬菌体占优势，并经常整合到细菌基因组中，有利于溶源性并驱动对噬菌体编码的Acr蛋白的强烈选择。虽然Acr在各种环境生态系统中已得到充分表征，肠道独特的生态系统，由无与伦比的微生物复杂性、非常多样的细菌-噬菌体相互作用和温和的噬菌体优势所定义，仍然是Acr发现的未探索前沿。

图1 机理模式图

II型CRISPR系统主导肠道细菌免疫

 研究团队分析了286,997个人类肠道细菌基因组（来自UHGG数据库），发现肠道细菌中 CRISPR-Cas系统呈现独特分布特征：II型系统（含Cas9蛋白）占比高达47%（55,368 个），远超此前报道的I型系统主导模式，成为肠道细菌的优势免疫类型。

 这些II型系统进一步分为II-A、II-B、II-C三个亚型，其中II-A亚型主要富集于厚壁菌门，II-B亚型仅存在于变形菌门，未分类亚型广泛分布于拟杆菌门和厚壁菌门。phylogenetic 分析显示，肠道Cas9蛋白具有极高的遗传多样性，且大量Cas9同源物的CRISPR间隔序列与肠道病毒基因组匹配，证实肠道噬菌体与细菌间存在激烈的免疫对抗。

图2 CRISRP系统在肠道菌中的分布

高通量筛选锁定651个功能性Acr候选蛋白

 研究团队开发了"生物信息学预测 + 高通量功能筛选"的整合技术路线，成功挖掘肠道噬菌体Acr资源：通过CRISPR间隔序列匹配，锁定5,850个与II型CRISPR细菌相互作用的肠道噬菌体；筛选含HT 结构域的Acr相关（Aca）同源物，获得13,493个Acr候选蛋白；

构建包含3,411个非冗余基因的合成文库，在表达6种代表性Cas9同源物的大肠杆菌中进行串行转移筛选，最终鉴定出651个阳性Acr候选蛋白。功能验证显示，这些Acr蛋白具有广谱抑制活性：46%（300个）可抑制至少2种CRISPR系统，34个可能对所有6种II型系统具有泛抑制作用。其中36个代表性候选蛋白经噬菌体噬斑实验确认，能有效中和对应 CRISPR-Cas防御，部分对II-A亚型系统的抑制活性尤为显著。

图3 肠道噬菌体Acr的高通量挖掘和功能鉴定

GutAcrₐcₐ家族的双重功能与结构收敛

 对这651个阳性Acr进行深入分析时，一个引人注目的现象出现了。通过AlphaFold2结构预测和TM-score结构相似性比对，研究团队发现一个由213个成员组成的巨大蛋白簇，这些蛋白尽管在氨基酸序列上差异巨大，却惊人地折叠出高度相似的三维结构（图3）。这一发现挑战了领域内关于Acr蛋白“极端多样”的固有认知。研究人员将这个结构汇聚的蛋白家族命名为GutAcraca。通过对其中10个代表性成员的深入研究发现，它们不仅能够抑制多种Cas9同源物，展现出广泛的抑制谱，而且具备“双重功能”：既能像“断路器”一样抑制CRISPR系统，又能作为转录调控因子，与其自身的启动子结合，实现精准的自我表达调控（图3）。这种精巧的调控机制可能有助于噬菌体在整合到细菌基因组后，避免因过度表达Acr而造成不必要的代谢负担或毒性，体现了噬菌体对肠道生态的精细适应。

图4 肠道噬菌体结构相似的GutAcr_ac_a家族功能鉴定

首个II-B亚型CRISPR抑制剂的机制解析

 研究还鉴定出全球首个功能性II-B亚型CRISPR抑制剂AcrIIB-1（原名FnAcr-3269），该蛋白通过DNA模拟机制结合FnCas9的WED-PI结构域凹槽，在10:1（Acr:Cas9）的摩尔比下即可完全阻断其DNA切割活性。此前II-B亚型CRISPR系统的Acr蛋白尚未被报道，AcrIIB-1的发现填补了该领域空白，也证实肠道噬菌体编码的Acr蛋白覆盖所有主要II型 CRISPR亚型，体现了其进化适应性的广泛性。

图5 合成最小功能性Acr

参考文献

Yuan S, Zhu H, Yu M, et al. Discovery of human gut phage-encoded anti-CRISPR proteins unveils diverse mechanisms for phages to evade type II CRISPR immunity[J]. Cell Host & Microbe, 2026.