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CRISPR大牛张锋教授发现一类极具应用潜力的新型基因编辑系统

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生物谷v 2021-09-12 13:36

在过去十年内,科学家们已经将来自微生物的CRISPR系统改造成了基因编辑技术,这是一种精确的、可编程的修改DNA的系统。如今,在一项新的研究中,来自美国麻省理工学院麦戈文研究所和布罗德研究所的研究人员发现了一类新的可编程的DNA修改系统,称为OMEGA(Obligate Mobile Element Guided Activity),它们可能天然地参与了在整个细菌基因组中重排小片段 DNA的工作。相关研究结果于2021年9月9日在线发表在Science期刊上,论文标题为“The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases”。

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这些古老的DNA切割酶由小片段RNA引导到它们的靶标。虽然它们起源于细菌,但它们如今已被设计成能在人体细胞中起作用,这表明它们在开发基因编辑疗法方面可能是有用的,特别是因为它们很小(大约为Cas9的30%),使它们比体积较大的DNA切割酶更容易被递送到细胞中。这一发现提供了证据表明,天然RNA引导的酶是地球上最丰富的蛋白质之一的,并指出了一个巨大的生物学新领域,该领域有望推动基因组编辑技术的下一次革命。

这项研究由麦戈文研究所研究员、麻省理工学院神经科学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员和布罗德研究所核心研究所成员Feng Zhang领导。Zhang的团队一直在探索自然的多样性,寻找可以合理编程的新分子系统。

Zhang说,“我们对这些广泛的可编程酶的发现感到超级兴奋,这些酶一直隐藏在我们的鼻子下面。这些结果表明了一种诱人的可能性,即还有更多的可编程系统等待着我们去发现和开发更为有用的技术。”

可编程酶,特别是那些使用RNA引导的酶,可以迅速适应不同的用途。例如,CRISPR酶天然地使用向导RNA(gRNA)来靶向病毒入侵者,但生物学家可以通过构建自己的gRNA将Cas9引导至任何靶标。论文共同第一作者Soumya Kannan说,“只需改变gRNA序列和设置一个新的靶标非常容易。因此,我们感兴趣的一系列问题之一是试图看看其他天然系统是否也使用这种机制。”

OMEGA蛋白可能由RNA引导的第一个暗示来自于称为IscB的蛋白编码基因。IscB不参与CRISPR免疫反应,也不知道是否与RNA结合,但它们看起来像小型的DNA切割酶。Zhang团队发现,每个IscB附近都有一个小RNA,它指导IscB酶切割特定的DNA序列。他们将这些RNA命名为“ωRNA”。

Zhang团队的实验表明,另外两类称为IsrB和TnpB的小蛋白(细菌中最丰富的基因之一)也使用ωRNA作为向导来指导DNA切割。

IscB、IsrB和TnpB存在于称为转座子的可动遗传因子中,具体而言存在IS200/IS605转座子家族中。论文共同第一作者Han Altae-Tran解释说,每次这些转座子移动时,它们都会产生一个新的gRNA,使它们编码的酶能够在基因组的其他地方进行切割。

图片来自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。

目前还不清楚细菌是如何从这种基因组重排中受益的,或者说它们是否真地从中受益。Kannan说,转座子通常被认为是自私的DNA片段,只关心自己的流动性和保存。但是如果宿主能够“劫持”这些系统并重新利用它们,那么宿主可能会获得新的能力,就像赋予适应性免疫反应的CRISPR系统一样。

IscB和TnpB似乎是Cas9和Cas12 CRISPR系统的前身。Zhang团队猜测它们与IsrB一起,也可能产生了其他RNA引导的酶---他们渴望找到这些酶。Kannan说,他们对自然界中可能由RNA引导的酶执行的功能范围感到好奇,并猜测进化可能已经利用了IscB和TnpB等OMEGA酶来解决生物学家渴望解决的问题。

Altae-Tran说,“我们一直在思考的很多东西可能已经以某种方式自然存在。这些类型系统的天然版本可能是适应特定任务的良好起点。”

Zhang团队还对进一步追踪RNA引导系统的进化感兴趣。Altae-Tran说,“发现所有这些新的系统揭示了RNA引导的系统是如何进化的,但是我们不知道RNA引导活性本身来自哪里。”他说,了解这些起源,可能为开发更多类型的可编程工具铺平道路。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

Han Altae-Tran et al. The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases. Science, 2021, doi:10.1126/science.abj6856.

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