在CRISPR系统之外发现了新的可编程基因编辑蛋白

诸平

Left: Han Altae-Tran (Credit: Zhang Lab). Right: Soumya Kannan. Credit: Caitlin Cunningham

据麻省理工学院-哈佛布罗德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）2021年9月10日提供的消息，该研究所的研究人员在CRISPR系统之外发现了新的可编程基因编辑蛋白（New programmable gene editing proteins found outside of CRISPR systems）。

RNA引导的酶比以前认为的更加多样化和广泛（RNA-guided enzymes are more diverse and widespread than previously believed）。在过去十年中，科学家们已经将 CRISPR 系统从微生物应用于基因编辑技术，这是一种用于修改 DNA 的精确且可编程的系统。现在，麻省理工学院麦戈文研究所（MIT’s McGovern Institute）以及麻省理工学院和哈佛大学博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）的科学家们发现了一类新的可编程 DNA 修饰系统，称为OMEGA（Obligate Mobile Element Guided Activity），它可能自然地参与改组整个细菌基因组中的小片段DNA。

这些古老的DNA切割酶被小片段RNA引导到它们的目标。虽然它们起源于细菌，但现在已被设计用于人类细胞，这表明它们可用于基因编辑疗法的开发，特别是因为它们很小（约为Cas9大小的30%），这使得它们比体积更大的酶更容易传递到细胞中。相关研究结果于2021年9月9日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Han Altae-Tran, Soumya Kannan, F. Esra Demircioglu, Rachel Oshiro, Suchita P. Nety, Luke J. Mckay, Mensur Dlakić, William P. Inskeep, Kira S. Makarova, Rhiannon K. Macrae, Eugene V. Koonin, Feng Zhang. The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases. Science, 9 Sep 2021, DOI: 10.1126/science.abj6856. https://www.nature.com/articles/d41586-021-02461-2

这一发现提供了证据，证明天然RNA引导的酶是地球上最丰富的蛋白质之一，指向一个广阔的生物学新领域，该领域有望推动基因组编辑技术的下一次革命。

该研究由麦戈文研究所研究人员张锋（Feng Zhang音译）领导，张锋是麻省理工学院神经科学詹姆斯和帕特里夏波伊特拉斯教授（James and Patricia Poitras Professor of Neuroscience at MIT）、霍华德休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）研究员、布罗德研究所（Broad Institute）核心成员。张锋的团队一直在探索自然多样性，以寻找可以合理编程的新分子系统。

张锋说：“我们对这些广泛存在的可编程酶的发现感到非常兴奋，它们一直隐藏在我们的眼皮底下。这些结果表明，有更多可编程系统作为有用技术等待发现和开发，这是一种诱人的可能性。”

可编程酶，尤其是那些使用RNA引导的酶，可以快速适应不同的用途。例如，CRISPR酶自然地使用RNA向导来靶向病毒入侵者，但生物学家可以通过生成自己的RNA向导将 Cas9定向到任何目标。该论文的研究生和共同第一作者Soumya Kannan说：“改变一个引导序列并设定一个新的目标是如此容易。所以我们感兴趣的一个广泛问题是试图看看其他自然系统是否使用同样的机制。”

OMEGA蛋白质可能受RNA指导的第一个暗示来自称为IscB的蛋白质基因。IscB不参与 CRISPR免疫，也不知道与RNA相关联，但它们看起来像小的DNA切割酶。该团队发现每个IscB附近都有一个小RNA编码，它指导IscB酶切割特定的DNA序列。他们将这些RNA 命名为“ωRNA”。 

该团队的实验表明，另外两类小蛋白IsrBs和TnpBs（细菌中最丰富的基因之一）也使用 ωRNA 作为引导来指导 DNA 的直接切割。

IscB、IsrB和TnpB被发现存在于称为转座子（transposons）的移动遗传元件（mobile genetic elements）中。该论文的共同第一作者、研究生 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引导RNA，允许它们编码的酶（enzyme）在其他地方切割。

目前尚不清楚细菌如何从这种基因组改组（genomic shuffling）中受益——或者它们是否会受益。Soumya Kannan说，转座子通常被认为是自私的DNA片段，只关心它们自己的移动性和保存性。但如果宿主可以“选择”这些系统并重新利用它们，宿主可能会获得新的能力，就像赋予适应性免疫（adaptive immunity）的CRISPR系统一样。

IscBs和TnpBs似乎是Cas9和Cas12 CRISPR 系统的前身。该团队怀疑它们与IsrB一起也可能产生了其他RNA引导的酶——他们渴望找到它们。Soumya Kannan说，他们对自然界中可能由RNA引导的酶执行的一系列功能感到好奇，并且怀疑进化可能已经利用了IscB和 TnpB等OMEGA酶的优势来解决生物学家热衷于解决的问题。

Han Altae-Tran说：“我们一直在考虑的很多事情可能已经以某种身份自然存在。这些类型系统的自然版本（Natural versions）可能是适应该特定任务的良好起点。”

该团队还对进一步追溯RNA引导系统的进化很感兴趣。Han Altae-Tran说：“发现所有这些新系统有助于了解RNA引导系统是如何进化的，但我们不知道RNA引导活动本身从何而来。”他说，了解这些起源可以为开发更多种类的可编程工具铺平道路。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

IscB proteins are putative nucleases encoded in a distinct family of IS200/IS605 transposons and are likely ancestors of the RNA-guided endonuclease Cas9, but the functions of IscB and its interactions with any RNA remain uncharacterized. Using evolutionary analysis, RNA-seq, and biochemical experiments, we reconstruct the evolution of CRISPR-Cas9 systems from IS200/IS605 transposons. We show that IscB utilizes a single non-coding RNA for RNA-guided cleavage of double-stranded DNA and can be harnessed for genome editing in human cells. We also demonstrate the RNA-guided nuclease activity of TnpB, another IS200/605 transposon-encoded protein and the likely ancestor of Cas12 endonucleases. This work reveals a widespread class of transposon-encoded RNA-guided nucleases, which we name OMEGA (Obligate Mobile Element Guided Activity), with strong potential for developing as biotechnologies.