在過去十年內(nèi)，科學(xué)家們已經(jīng)將來自微生物的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，在一項新的研究中，來自美國麻省理工學(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細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。雖然它們起源于細菌，但它們?nèi)缃褚驯辉O(shè)計成能在人體細胞中起作用，這表明它們在開發(fā)基因編輯療法方面可能是有用的，特別是因為它們很?。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，并指出了一個巨大的生物學(xué)新領(lǐng)域，該領(lǐng)域有望推動基因組編輯技術(shù)的下一次革命。

這項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的團隊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，“我們對這些廣泛的可編程酶的發(fā)現(xiàn)感到超級興奮，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）來靶向病毒入侵者，但生物學(xué)家可以通過構(gòu)建自己的gRNA將Cas9引導(dǎo)至任何靶標。論文共同第一作者Soumya Kannan說，“只需改變gRNA序列和設(shè)置一個新的靶標非常容易。因此，我們感興趣的一系列問題之一是試圖看看其他天然系統(tǒng)是否也使用這種機制。"

OMEGA蛋白可能由RNA引導(dǎo)的第一個暗示來自于稱為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，但它們看起來像小型的DNA切割酶。Zhang團隊發(fā)現(xiàn)，每個IscB附近都有一個小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團隊的實驗表明，另外兩類稱為IsrB和TnpB的小蛋白（細菌中zui豐富的基因之一）也使用ωRNA作為向?qū)碇笇?dǎo)DNA切割。

IscB、IsrB和TnpB存在于稱為轉(zhuǎn)座子的可動遺傳因子中，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，每次這些轉(zhuǎn)座子移動時，它們都會產(chǎn)生一個新的gRNA，使它們編碼的酶能夠在基因組的其他地方進行切割。

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

目前還不清楚細菌是如何從這種基因組重排中受益的，或者說它們是否真地從中受益。Kannan說，轉(zhuǎn)座子通常被認為是自私的DNA片段，只關(guān)心自己的流動性和保存。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團隊猜測它們與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，他們對自然界中可能由RNA引導(dǎo)的酶執(zhí)行的功能范圍感到好奇，并猜測進化可能已經(jīng)利用了IscB和TnpB等OMEGA酶來解決生物學(xué)家渴望解決的問題。

Altae-Tran說，“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。"

Zhang團隊還對進一步追蹤RNA引導(dǎo)系統(tǒng)的進化感興趣。Altae-Tran說，“發(fā)現(xiàn)所有這些新的系統(tǒng)揭示了RNA引導(dǎo)的系統(tǒng)是如何進化的，但是我們不知道RNA引導(dǎo)活性本身來自哪里。"他說，了解這些起源，可能為開發(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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