CrRNA
crRNA（CRISPR RNA）是细菌和古菌 CRISPR 适应性免疫系统中的核心识别元件，充当了外源入侵者（如噬菌体或质粒）的“分子指纹”。
在天然系统中，crRNA 转录自细菌基因组中的 CRISPR array（CRISPR 阵列），其序列包含两部分：源自病毒的特异性间隔序列 (Spacer) 和源自细菌自身的重复序列 (Repeat)。成熟的 crRNA 与效应蛋白（如 Cas9 或 Cascade 复合物）结合，通过碱基互补配对精准识别入侵核酸，指导 Cas 蛋白对外源 DNA 或 RNA 进行降解。在现代基因编辑技术中，crRNA 常与 tracrRNA 融合形成人工的 sgRNA。
生物发生：从记忆到武器
crRNA 的生成过程是细菌免疫应答的关键步骤，不同类型的 CRISPR 系统（如 Type I 和 Type II）其加工机制有显著差异。
- 1. 前体转录 (Pre-crRNA)： 细菌首先将整个 CRISPR 阵列（包含数十个重复序列和间隔序列）转录为一条长链 RNA，称为 Pre-crRNA。此时它还不具备引导功能。
- 2. 加工成熟 (Maturation)：
• Type I 系统（如 Cascade）： 特异性的 Cas6 或 Csy4 内切酶识别重复序列形成的茎环结构，直接将 Pre-crRNA 切割成独立的单元。
• Type II 系统（如 Cas9）： 需要反式激活 RNA (tracrRNA) 的参与。tracrRNA 与 crRNA 的重复序列互补配对，形成双链 RNA 结构，招募宿主细胞的 RNase III 进行切割，随后经修剪形成成熟的 crRNA:tracrRNA 复合体。 - 3. 效应复合物组装： 成熟的 crRNA 被装载到 Cas 蛋白（如 Cas9 或 Cascade）中。crRNA 的 5' 端间隔序列暴露在外，时刻准备与入侵的 DNA 进行互补配对。
crRNA vs. sgRNA：天然与人工
在生物技术应用中，为了简化操作，科学家对天然的 crRNA 进行了工程化改造。
| 比较维度 | 天然 crRNA 系统 (Type II) | 人工 sgRNA 系统 |
|---|---|---|
| 分子组分 | 双分子 (crRNA + tracrRNA) | 单分子 (Single Guide RNA) |
| 结构连接 | 通过碱基互补配对结合 | 通过人工“四环”(Tetraloop) 融合 |
| 优势 | 符合细菌天然生理机制 | 转染、制备更简单，编辑效率高 |
| Cas12a (Cpf1) | 仅需 crRNA (无需 tracrRNA) | 同左 (结构更短，约 42nt) |
应用场景
- 双 RNA 递送： 在某些特定的临床或药物递送场景中，使用合成的 crRNA 和 tracrRNA 两条短链分别递送（化学合成成本较低），在细胞内自组装，比长链 sgRNA 更具优势。
- Cas12a/Cas13 系统： 并非所有 CRISPR 系统都需要 sgRNA。例如 Cas12a (Cpf1) 和 Cas13 仅利用 crRNA 即可工作，这使得它们在多重基因编辑（Multiplexing）中非常有用，因为可以在一条转录本上串联多个 crRNA。
学术参考文献 [Academic Review]
[1] Barrangou R, et al. (2007). CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes. Science.
[点评]：里程碑式的研究，首次通过实验证明了 CRISPR 阵列中的 Spacer 序列（即 crRNA 的来源）直接决定了细菌对病毒的抵抗力。
[2] Deltcheva E, et al. (2011). CRISPR RNA maturation by trans-encoded small RNA and host factor RNase III. Nature.
[点评]：Charpentier 实验室的发现。揭示了 Type II 系统（Cas9）中 crRNA 的成熟必须依赖 tracrRNA 和 RNase III，为后来 sgRNA 的发明指明了方向。
[3] Brouns SJ, et al. (2008). Small CRISPR RNAs guide antiviral defense in prokaryotes. Science.
[点评]：首次在大肠杆菌中证明了 crRNA 是作为向导分子被装载到 Cascade 复合物中，特异性地识别病毒 DNA。