藻類、蝸牛和其他生物中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千種可編程的DNA切割器

各種各樣的物種，從蝸牛到藻類再到變形蟲，都能制造一種叫做Fanzors的可編程DNA切割酶，麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所的科學(xué)家們的一項(xiàng)新研究已經(jīng)確定了數(shù)千種這種酶。Fanzors是一種RNA引導(dǎo)酶，可以通過編程在特定位點(diǎn)切割DNA，就像為廣泛使用的基因編輯系統(tǒng)CRISPR提供動(dòng)力的細(xì)菌酶一樣。9月27日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志上的新發(fā)現(xiàn)的天然Fanzor酶的多樣性，為科學(xué)家們提供了一套廣泛的可編程酶，這些酶可能被改編成研究或醫(yī)學(xué)的新工具。

“RNA引導(dǎo)的生物學(xué)可以讓你制作易于使用的可編程工具。所以我們能找到的越多越好，”麥戈文研究員Omar Abudayyeh說，他和麥戈文研究員 Jonathan Gootenberg一起領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

CRISPR是一種古老的細(xì)菌防御系統(tǒng)，它已經(jīng)清楚地表明，當(dāng)RNA引導(dǎo)的酶被用于實(shí)驗(yàn)室時(shí)，它們是多么有用。由麻省理工學(xué)院教授和麥戈文研究員張峰、Abudayyeh、Gootenberg等人開發(fā)的基于CRISPR的基因組編輯工具改變了科學(xué)家修改DNA的方式，加速了研究并使許多實(shí)驗(yàn)性基因療法得以發(fā)展。

此后，研究人員在細(xì)菌世界中發(fā)現(xiàn)了其他RNA引導(dǎo)酶，其中許多酶具有使其在實(shí)驗(yàn)室中具有價(jià)值的特征。今年早些時(shí)候，Zhang的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了Fanzors的發(fā)現(xiàn)，它能夠以RNA引導(dǎo)的方式切割DNA，開辟了RNA引導(dǎo)生物學(xué)的新前沿。Fanzors是**個(gè)在真核生物中發(fā)現(xiàn)的這種酶，真核生物是一種廣泛的生命形式，包括植物、動(dòng)物和真菌，由保存每個(gè)細(xì)胞遺傳物質(zhì)的膜結(jié)合核定義。(細(xì)菌沒有細(xì)胞核，屬于原核生物。)

“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，人們一直在原核生物系統(tǒng)中尋找有趣的工具，我認(rèn)為這已經(jīng)取得了令人難以置信的成果，”Gootenberg說。“真核系統(tǒng)真的是一個(gè)全新的工作場(chǎng)所。”

Abudayyeh和Gootenberg說，一個(gè)希望是，在真核生物中自然進(jìn)化的酶可能更適合在包括人類在內(nèi)的其他真核生物的細(xì)胞中安全有效地發(fā)揮作用。Zhang的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，Fanzor酶可以被設(shè)計(jì)成精確地切割人類細(xì)胞中的特定DNA序列。在這項(xiàng)新研究中，Abudayyeh和Gootenberg發(fā)現(xiàn)，一些Fanzors甚至可以在沒有優(yōu)化的情況下靶向人類細(xì)胞中的DNA序列。Gootenberg說:“事實(shí)上，它們?cè)诓溉閯?dòng)物細(xì)胞中非常有效地工作，這真是太棒了。”

在目前的研究之前，已經(jīng)在真核生物中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個(gè)Fanzors。在實(shí)驗(yàn)室成員Justin Lim的帶領(lǐng)下，通過對(duì)基因數(shù)據(jù)庫(kù)的廣泛搜索，Gootenberg和Abudayyeh的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)將這些酶的已知多樣性擴(kuò)大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

在該團(tuán)隊(duì)在真核生物和感染它們的病毒中發(fā)現(xiàn)的3600多個(gè)Fanzors中，研究人員能夠識(shí)別出5個(gè)不同的酶家族。通過比較這些酶的精確組成，他們發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)期進(jìn)化歷史的證據(jù)。

Fanzors可能是從RNA引導(dǎo)的DNA切割細(xì)菌酶TnpBs進(jìn)化而來的。事實(shí)上，正是Fanzors與這些細(xì)菌酶的基因相似性首先引起了張和Gootenberg以及Abudayyeh團(tuán)隊(duì)的注意。

Gootenberg和Abudayyeh追蹤的進(jìn)化聯(lián)系表明，這些Fanzors的細(xì)菌前身可能不止一次地進(jìn)入真核細(xì)胞，開始它們的進(jìn)化。有些可能是由病毒傳播的，而另一些可能是由共生細(xì)菌引入的。研究還表明，在它們被真核生物吸收后，這些酶進(jìn)化出了適合新環(huán)境的特征，比如一個(gè)允許它們進(jìn)入細(xì)胞核的信號(hào)，在那里它們可以接觸到DNA。

通過由生物工程研究生蔣凱義領(lǐng)導(dǎo)的遺傳和生化實(shí)驗(yàn)，研究小組確定，F(xiàn)anzors進(jìn)化出了一種DNA切割活性位點(diǎn)，與它們的細(xì)菌前輩不同。這似乎允許這種酶更精確地切割其目標(biāo)序列TnpB的祖先，當(dāng)目標(biāo)是試管中的DNA序列時(shí)，被激活并切割試管中的其他序列。當(dāng)他們使用RNA向?qū)碇笇?dǎo)酶切割人類細(xì)胞基因組中的特定位點(diǎn)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)某些Fanzors能夠以大約10%到20%的效率切割這些目標(biāo)序列。

通過進(jìn)一步的研究，Abudayyeh和Gootenberg希望能夠從Fanzors中開發(fā)出各種復(fù)雜的基因組編輯工具。“這是一個(gè)新的平臺(tái)，他們有很多功能，”Gootenberg說。

Abudayyeh補(bǔ)充說:“向這些類型的RNA引導(dǎo)系統(tǒng)開放整個(gè)真核世界將給我們帶來很多工作。”

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