过去十年里,科学家已经将CRISPR系统应用到基因编辑技术中,这是一种用于修改DNA的精确和可编程系统。近日,研究人员探索了该系统中使用的一种酶的进化起源,发现一种新的可编程DNA修饰系统。

《中国科学报》从美国麻省理工学院和哈佛大学博德研究所获悉,该机构分子生物学家张锋等人发现的这种被称为OMEGA(专性移动元素引导活动)的蛋白质,可能自然地参与重组细菌基因组小片段DNA。相关论文近日刊登于《科学》。

研究人员在一个名为IscB的蛋白质家族中发现了OMEGA。这些蛋白质被认为是Cas9酶的祖先,在基因组编辑过程中,Cas9与RNA片段合作,进而引导酶找到并切割特定的DNA序列。研究人员发现,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。

“这种RNA引导的DNA识别机制很可能是大自然多次独立创造的东西。”张锋说,“这些结果表明,有更多有效的可编程系统等待被发现和开发。”

可编程酶,特别是那些使用RNA引导的酶,可以迅速适应不同的用途。例如,一直以来,CRISPR也被认为是一种微生物防御系统,可以让细菌和其他被称为古生菌的单细胞生物通过发送Cas9来“咀嚼”病毒和其他基因入侵者的DNA。计算机研究表明,Cas9可能是从IscB家族进化而来的,该家族由转座子编码,可以在基因组中跳转到新的位置。到目前为止,IscB蛋白的功能还不清楚。

此次,研究人员发现,负责编码IscB的DNA通常位于一类RNA分子(被称为ωRNA)的DNA附近。他们还发现,一些IscB可以在ωRNA序列指定的位置切割DNA,就像Cas9及其引导RNA一样。

该团队还研究了另一个名为TnpB的蛋白质家族,该家族被认为是Cas12酶的祖先。他们发现,在ωRNA的引导下,其中一些蛋白质也能切割DNA。

该论文第一作者,麻省理工学院分子生物学家Soumya Kannan说,数据库搜索结果显示,有100多万个基因可能携带TnpB蛋白编码,而且有些生物体含有这些基因的100多个副本。

实际上,IscB基因不仅存在于细菌和古生菌中,还存在于藻类细胞内的光吸收叶绿体中。因而,这也是研究人员首次在真核生物中发现这样的基因组编辑系统。该些结果表明,真核生物比之前认为的更广泛。

此外,该团队发现IscB可以用来切割人类DNA,尽管其效率低于CRISPR-Cas9系统。但IscB系统还可以改进,并且IscB的小尺寸可能会使它更适用于某些应用。

澳大利亚国立大学遗传学家Gaetan Burgio认为,这项研究推动了人们对CRISPR-Cas9系统进化的理解,以及为IscB这样一个普遍的蛋白质家族赋予了可能的功能。他说,“它填补了一个重要的空白:我们并不知道这些CRISPR系统是如何变成‘基因剪’的。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.abj6856

作者:张锋等

来源:《科学》,《中国科学报》