自2012年6月CRISPR-Cas9技术诞生以来，这项被称为“基因剪刀”的革命性技术已应用于植物育种、癌症治疗等多个领域，成为全球实验室里最风靡的基因编辑技术。它还斩获了2020年诺贝尔化学奖。CRISPR-Cas系统是微生物中广泛存在的抗病毒免疫系统——约90%的古菌和40%的细菌基因组中都存在这一系统。那么，这一系统是如何在微生物中广泛存在并发挥作用的？
是否有一些“暗物质”在维持这一系统的稳定性？经过近7年的研究，向华与微生物所研究员李明及合作者找到了保护微生物CRISPR-Cas系统的“暗物质”。相关研究论文近日发表于《科学》。CRISPR-Cas系统是在微生物中广泛存在的抗病毒（噬菌体）免疫系统。宿主菌通过将入侵病毒的特定DNA序列插入到其CRISPR结构中，可形成对该病毒的永久性“记忆”。这些记忆性DNA序列可经转录加工产生小分子RNA。
它们携带了病毒的序列信息，能够指导CRISPR效应蛋白（如Cas9蛋白、Cascade蛋白复合物）特异性识别和切割再次入侵的病毒DNA，实现对该病毒的适应性免疫。那么，是什么导致CRISPR-Cas系统在微生物中具有广泛的稳定性呢？这是微生物学家长期关注却尚未充分回答的前沿科学问题。经过反复的猜测和试错验证，研究团队发现，“保护”微生物CRISPR-Cas系统的“暗物质”是一对RNA分子。
向华和李明团队是国内较早从事CRISPR免疫机制研究的团队。早在2014年，他们利用一株名为西班牙盐盒菌的古菌及其病毒，系统解析了CRISPR高效获取病毒DNA序列信息的分子机制。研究过程中，他们发现了一个奇怪的现象——CRISPR效应蛋白的编码基因（Cas5/6/7/8）无法逐一敲除，但可以作为整体一起敲除，从而推测“分子警察”Cas的基因簇中可能隐藏了一个“细胞成瘾”元件。
为查明“暗物质”的身份，他们经过近7年的探索，在Cas的基因簇附近发现了一类由两个小RNA组成的全新的毒素—抗毒素系统，并将两个小RNA分别命名为毒素（CreT）和抗毒素（CreA）。他们发现这一对神秘小RNA通过一系列十分精巧的分子机制守护了CRISPR-Cas系统的结构和功能。
在自然界中，微生物往往以群体的形式存在，当某个细胞的CRISPR系统被病毒破坏时，很容易沦为病毒大量复制和增殖的病毒工厂，可以产生成百上千的子代病毒侵染群体中的其他细胞。而当CRISPR内置了毒素—抗毒素RNA系统，一旦CRISPR效应物被病毒破坏，它就会毁掉病毒复制和增殖所必需的细胞机器，从而保护群体中其他细胞不被侵染，因此，这是一种利他主义的群体防御策略。
据该论文共同第一作者、微生物所博士后龚路遥介绍，此前，科学家已发现6类毒素—抗毒素分子对，其中毒素均为蛋白质。这是研究人员首次在RNA层面发现毒素和抗毒素分子对。该团队还发现，在不同古菌、细菌不同类型的CRISPR-Cas系统中，存在的毒素—抗毒素类似物在序列上非常丰富多样，蕴藏了大量未知机制的功能性小RNA。