過去十年里，科學(xué)家已經(jīng)將CRISPR系統(tǒng)應(yīng)用到基因編輯技術(shù)中，這是一種用于修改DNA的精確和可編程系統(tǒng)。近日，研究人員探索了該系統(tǒng)中使用的一種酶的進(jìn)化起源，發(fā)現(xiàn)一種新的可編程DNA修飾系統(tǒng)。

《中國科學(xué)報(bào)》從美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)博德研究所獲悉，該機(jī)構(gòu)分子生物學(xué)家張鋒等人發(fā)現(xiàn)的這種被稱為OMEGA（專性移動(dòng)元素引導(dǎo)活動(dòng)）的蛋白質(zhì)，可能自然地參與重組細(xì)菌基因組小片段DNA。相關(guān)論文近日刊登于《科學(xué)》。

研究人員在一個(gè)名為IscB的蛋白質(zhì)家族中發(fā)現(xiàn)了OMEGA。這些蛋白質(zhì)被認(rèn)為是Cas9酶的祖先，在基因組編輯過程中，Cas9與RNA片段合作，進(jìn)而引導(dǎo)酶找到并切割特定的DNA序列。研究人員發(fā)現(xiàn)，每個(gè)IscB附近都有一個(gè)小RNA編碼，它指導(dǎo)IscB酶切割特定的DNA序列。

“這種RNA引導(dǎo)的DNA識(shí)別機(jī)制很可能是大自然多次獨(dú)立創(chuàng)造的東西?！睆堜h說，“這些結(jié)果表明，有更多有效的可編程系統(tǒng)等待被發(fā)現(xiàn)和開發(fā)?！?/p>

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，一直以來，CRISPR也被認(rèn)為是一種微生物防御系統(tǒng)，可以讓細(xì)菌和其他被稱為古生菌的單細(xì)胞生物通過發(fā)送Cas9來“咀嚼”病毒和其他基因入侵者的DNA。計(jì)算機(jī)研究表明，Cas9可能是從IscB家族進(jìn)化而來的，該家族由轉(zhuǎn)座子編碼，可以在基因組中跳轉(zhuǎn)到新的位置。到目前為止，IscB蛋白的功能還不清楚。

此次，研究人員發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)編碼IscB的DNA通常位于一類RNA分子（被稱為ωRNA）的DNA附近。他們還發(fā)現(xiàn)，一些IscB可以在ωRNA序列指定的位置切割DNA，就像Cas9及其引導(dǎo)RNA一樣。

該團(tuán)隊(duì)還研究了另一個(gè)名為TnpB的蛋白質(zhì)家族，該家族被認(rèn)為是Cas12酶的祖先。他們發(fā)現(xiàn)，在ωRNA的引導(dǎo)下，其中一些蛋白質(zhì)也能切割DNA。

該論文第一作者、麻省理工學(xué)院分子生物學(xué)家Soumya Kannan說，數(shù)據(jù)庫搜索結(jié)果顯示，有100多萬個(gè)基因可能攜帶TnpB蛋白編碼，而且有些生物體含有這些基因的100多個(gè)副本。

實(shí)際上，IscB基因不僅存在于細(xì)菌和古生菌中，還存在于藻類細(xì)胞內(nèi)的光吸收葉綠體中。因而，這也是研究人員首次在真核生物中發(fā)現(xiàn)這樣的基因組編輯系統(tǒng)。該些結(jié)果表明，真核生物比之前認(rèn)為的更廣泛。

此外，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)IscB可以用來切割人類DNA，盡管其效率低于CRISPR-Cas9系統(tǒng)。但I(xiàn)scB系統(tǒng)還可以改進(jìn)，并且IscB的小尺寸可能會(huì)使它更適用于某些應(yīng)用。

澳大利亞國立大學(xué)遺傳學(xué)家Gaetan Burgio認(rèn)為，這項(xiàng)研究推動(dòng)了人們對(duì)CRISPR-Cas9系統(tǒng)進(jìn)化的理解，以及為IscB這樣一個(gè)普遍的蛋白質(zhì)家族賦予了可能的功能。他說，“它填補(bǔ)了一個(gè)重要的空白：我們并不知道這些CRISPR系統(tǒng)是如何變成‘基因剪’的?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abj6856

作者：張鋒等

來源：《科學(xué)》、《中國科學(xué)報(bào)》