在過(guò)去十年內(nèi)，科學(xué)家們已經(jīng)將來(lái)自微生物的CRISPR系統(tǒng)改造成了基因編輯技術(shù)，這是一種精確的、可編程的修改DNA的系統(tǒng)。如今，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院麥戈文研究所和布羅德研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一類新的可編程的DNA修改系統(tǒng)，稱為OMEGA（Obligate Mobile Element Guided Activity），它們可能天然地參與了在整個(gè)細(xì)菌基因組中重排小片段 DNA的工作。相關(guān)研究結(jié)果于2021年9月9日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases"。

這些古老的DNA切割酶由小片段RNA引導(dǎo)到它們的靶標(biāo)。雖然它們起源于細(xì)菌，但它們?nèi)缃褚驯辉O(shè)計(jì)成能在人體細(xì)胞中起作用，這表明它們?cè)陂_(kāi)發(fā)基因編輯療法方面可能是有用的，特別是因?yàn)樗鼈兒苄。ù蠹s為Cas9的30%），使它們比體積較大的DNA切割酶更容易被遞送到細(xì)胞中。這一發(fā)現(xiàn)提供了證據(jù)表明，天然RNA引導(dǎo)的酶是地球上zui豐富的蛋白質(zhì)之一的，并指出了一個(gè)巨大的生物學(xué)新領(lǐng)域，該領(lǐng)域有望推動(dòng)基因組編輯技術(shù)的下一次革命。

這項(xiàng)研究由麥戈文研究所研究員、麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員和布羅德研究所核心研究所成員Feng Zhang領(lǐng)導(dǎo)。Zhang的團(tuán)隊(duì)一直在探索自然的多樣性，尋找可以合理編程的新分子系統(tǒng)。

Zhang說(shuō)，“我們對(duì)這些廣泛的可編程酶的發(fā)現(xiàn)感到超級(jí)興奮，這些酶一直隱藏在我們的鼻子下面。這些結(jié)果表明了一種誘人的可能性，即還有更多的可編程系統(tǒng)等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和開(kāi)發(fā)為有用的技術(shù)。"

可編程酶，特別是那些使用RNA引導(dǎo)的酶，可以迅速適應(yīng)不同的用途。例如，CRISPR酶天然地使用向?qū)NA（gRNA）來(lái)靶向病毒入侵者，但生物學(xué)家可以通過(guò)構(gòu)建自己的gRNA將Cas9引導(dǎo)至任何靶標(biāo)。論文共同第一作者Soumya Kannan說(shuō)，“只需改變gRNA序列和設(shè)置一個(gè)新的靶標(biāo)非常容易。因此，我們感興趣的一系列問(wèn)題之一是試圖看看其他天然系統(tǒng)是否也使用這種機(jī)制。"

OMEGA蛋白可能由RNA引導(dǎo)的第一個(gè)暗示來(lái)自于稱為IscB的蛋白編碼基因。IscB不參與CRISPR免疫反應(yīng)，也不知道是否與RNA結(jié)合，但它們看起來(lái)像小型的DNA切割酶。Zhang團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)IscB附近都有一個(gè)小RNA，它指導(dǎo)IscB酶切割特定的DNA序列。他們將這些RNA命名為“ωRNA"。

Zhang團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)表明，另外兩類稱為IsrB和TnpB的小蛋白（細(xì)菌中zui豐富的基因之一）也使用ωRNA作為向?qū)?lái)指導(dǎo)DNA切割。

IscB、IsrB和TnpB存在于稱為轉(zhuǎn)座子的可動(dòng)遺傳因子中，具體而言存在IS200/IS605轉(zhuǎn)座子家族中。論文共同第一作者Han Altae-Tran解釋說(shuō)，每次這些轉(zhuǎn)座子移動(dòng)時(shí)，它們都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的gRNA，使它們編碼的酶能夠在基因組的其他地方進(jìn)行切割。

圖片來(lái)自Thomas Splettstoesser (Wikipedia, CC BY-SA 4.0)。

目前還不清楚細(xì)菌是如何從這種基因組重排中受益的，或者說(shuō)它們是否真地從中受益。Kannan說(shuō)，轉(zhuǎn)座子通常被認(rèn)為是自私的DNA片段，只關(guān)心自己的流動(dòng)性和保存。但是如果宿主能夠“劫持"這些系統(tǒng)并重新利用它們，那么宿主可能會(huì)獲得新的能力，就像賦予適應(yīng)性免疫反應(yīng)的CRISPR系統(tǒng)一樣。

IscB和TnpB似乎是Cas9和Cas12 CRISPR系統(tǒng)的前身。Zhang團(tuán)隊(duì)猜測(cè)它們與IsrB一起，也可能產(chǎn)生了其他RNA引導(dǎo)的酶---他們渴望找到這些酶。Kannan說(shuō)，他們對(duì)自然界中可能由RNA引導(dǎo)的酶執(zhí)行的功能范圍感到好奇，并猜測(cè)進(jìn)化可能已經(jīng)利用了IscB和TnpB等OMEGA酶來(lái)解決生物學(xué)家渴望解決的問(wèn)題。

Altae-Tran說(shuō)，“我們一直在思考的很多東西可能已經(jīng)以某種方式自然存在。這些類型系統(tǒng)的天然版本可能是適應(yīng)特定任務(wù)的良好起點(diǎn)。"

Zhang團(tuán)隊(duì)還對(duì)進(jìn)一步追蹤RNA引導(dǎo)系統(tǒng)的進(jìn)化感興趣。Altae-Tran說(shuō)，“發(fā)現(xiàn)所有這些新的系統(tǒng)揭示了RNA引導(dǎo)的系統(tǒng)是如何進(jìn)化的，但是我們不知道RNA引導(dǎo)活性本身來(lái)自哪里。"他說(shuō)，了解這些起源，可能為開(kāi)發(fā)更多類型的可編程工具鋪平道路。

參考資料：

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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