微生物中发现的 CRISPR 样基因切割酶

来源: 生物通 / 作者: 2021-09-13
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通过探索 CRISPR 基因组编辑系统中使用的一种酶的进化起源,研究人员发现了潜伏在微生物基因组中的 100 多万种其他潜在编辑器。

这项研究发表在 9 月 9 日的《科学》杂志上,它在一个名为 IscB 的蛋白质家族中发现了新的编辑酶。这些蛋白质被认为是 Cas9 酶的祖先,这种酶被称为 CRISPR 的分子剪刀。在基因组编辑过程中,Cas9 与 RNA 片段合作,引导酶找到并切割特定的 DNA 序列。这项技术依赖于 RNA 作为引导系统,这是其多功能性和广泛应用的一个关键原因,因为它允许研究人员轻松地将 Cas9 定位到他们想要改变的基因组区域。

酶工程增强的超精确 CRISPR 工具 

该研究的主要作者、剑桥麻省理工学院的分子生物学家张锋说,发现了其他能够切割 DNA 的 RNA 靶向酶,可能会为基因组编辑提供进一步的工具。“这些可编程蛋白质非常有用,超出了基本的生物学兴趣,” 他说。“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。”

尽管研究人员已经将其用于基因工程,但 CRISPR 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 家族的蛋白质进化而来的,该家族由转座子或 “跳跃基因” 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。

张和他的同事们发现,负责编码 IscB 蛋白质的 DNA 通常位于一类 RNA 分子的 DNA 附近,他们称之为ωRNA。他们还发现,一些 IscB 蛋白可以在ωRNA 序列指定的位置切割 DNA,就像 Cas9 及其引导 RNA 一样。

该团队继续研究另一个名为 TnpB 的蛋白质家族,该家族被认为是另一种名为 Cas12 的 dna 切片 crispr 相关酶的祖先。他们发现,在ωRNA 的引导下,其中一些蛋白质也能切割 DNA。

麻省理工学院 (MIT) 的分子生物学家、该研究的第一作者之一 Soumya Kannan 说,数据库搜索结果显示,有 100 多万个基因可能携带 TnpB 蛋白的密码,有些生物含有这些基因的 100 多个副本。 

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。这是首次在真核生物 (细胞中含有细胞核的生物,包括所有的植物和动物) 中发现这样的基因组编辑系统——这一令人惊讶的结果表明,真核生物比之前认为的更广泛。“每次我演讲时,人们总是问我是否在真核细胞中看到了 CRISPR 活动,” 张说。“现在,我终于可以答应了。”

在自然界中,这些基因可以执行各种功能,包括防御或调节其他基因的表达。在实验室中,这一发现可能会产生大量编辑工具。Zhang 和他的团队发现 IscB 可以用来切割人类 DNA,尽管其效率低于流行的 CRISPR-Cas9 系统。但是张说,IscB 系统还可以改进,并指出 IscB 蛋白的小尺寸可能会使它在某些应用中更容易使用。

对于堪培拉澳大利亚国立大学的遗传学家 Gaetan Burgio 来说,这项研究的真正美妙之处在于它对理解进化的贡献,以及最终为 iscb 这样一个大而普遍的蛋白质群赋予可能的功能。“这绝对令人着迷,” 他说。“它填补了一个重要的空白: 我们真的不知道这些 CRISPR 系统是如何变成 CRISPR 的。”

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