张锋团队再发《科学》，有望推动基因组编辑技术的下一次革命

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当地时间9月9日，顶尖学术期刊《科学》杂志上线了基因编辑领域知名学者张锋教授领衔发表的一篇最新论文。这也是短短一个月时间内，张锋教授团队在基因疗法领域做出潜在颠覆性变革后发表的第二篇《科学》论文。

这篇论文中，张锋教授团队从CRISPR-Cas系统的起源入手，在细菌中鉴定出一类新的核酸酶，它们由转座子编码的RNA引导到目标位置切割DNA。经过设计，这些核酸酶可以用于在人类细胞中编辑基因。Broad研究所的官方新闻指出，这一发现指向了一个广阔的生物学新领域，有望推动基因组编辑技术的下一次革命。

▲本研究负责人是知名生物学家张锋教授（图片来源：张锋教授实验室主页）

最近十年里，在细菌中发现的CRISPR-Cas系统已经成为了广泛使用的基因编辑工具。例如，通过设计不同的指导RNA，科学家们可以将核酸酶Cas9引导到任何一段想要编辑的DNA序列位置。“改变一段引导序列，就设定了一个新的目标，如此简单。”研究论文的共同第一作者、博士研究生Soumya Kannan说，“因此，我们提出了一个宽泛的问题，那就是有没有天然的系统同样使用这种机制。”

图片来源：123RF

线索来自IS200/IS605转座子家族一个子集编码的蛋白IscB。这类蛋白并不参与CRISPR免疫系统，功能未知，过去也不知道它与任何RNA有相互作用。但从结构来推断，IscB可能是小型的DNA切割酶，而且可能是Cas9的祖先。

研究人员使用进化分析、RNA测序和生化实验，从IS200/IS605转座子重建了CRISPR-Cas9系统的进化。结果表明，所有现存的Cas9很可能来自一组IscB。这些IscB蛋白具备核酸酶活性，能够靶向双链DNA进行切割。并且他们发现，每个IscB旁边都有一小段编码产生的RNA（这些RNA被命名为ωRNA），指导IscB切割特定的DNA序列。

在此过程中，研究人员还发现，除了IscB，还有两种转座子编码蛋白IsrB和TnpB同样具有靶向双链DNA 的核酸酶活性，并且由ωRNA引导。进化关系的分析显示，TnpB可能是Cas12的祖先。

由于编码IscB、IsrB和TnpB的基因存在于转座子中，随着转座子的每一次移动，会产生一个新的指导RNA，引导编码的酶在新的目标位点进行切割。

研究人员将这套可编程的DNA修饰系统命名为Obligate Mobile Element Guided Activity，简称OMEGA。值得一提的是，这三种酶的尺寸都很小，只有Cas9的30%左右，因此基于OMEGA开发的基因编辑工具将可以更容易地被送入细胞。

图片来源：123RF

综合来看，此次研究发现的这类核酸酶，在细菌中含量丰富，广泛表达，表明由RNA引导的机制在原核生物中比过去以为的更为丰富。研究人员认为，目前为止人类可能仅仅鉴定出了最常见的一部分，可能还有大量尚未开发的RNA引导机制。

“我们非常兴奋，发现了这些广泛存在的可编程酶，它们一直隐藏在我们的眼皮底下，”张锋教授说， “这些结果表明了一种诱人的可能性，那就是有更多可编程系统可以作为有用的生物技术等待发现和开发。”

参考资料：

[1] Han Altae-Tran et al., (2021) The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases. Science. Doi: 10.1126/science.abj6856

[2] New programmable gene editing proteins found outside of CRISPR systems. Retrieved Sep. 10, 2021 from https://www.broadinstitute.org/news/new-programmable-gene-editing-proteins-found-outside-crispr-systems

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