Arc研究所的科学家发现了下一代可编程基因组设计系统

发布时间：2024-08-07 16:12:03 栏目：生活

导读 在基因工程的一次飞跃中，Arc 研究所的一组研究人员发现了桥式重组酶机制，这是一种以可编程方式重组和重新排列 DNA 的精确而强大的工具

在基因工程的一次飞跃中，Arc 研究所的一组研究人员发现了桥式重组酶机制，这是一种以可编程方式重组和重新排列 DNA 的精确而强大的工具。



今天发表在《自然》杂志上的这项研究报告了他们发现的第一个 DNA 重组酶，它使用非编码 RNA 对目标和供体 DNA 分子进行序列特异性选择。这种桥接 RNA 是可编程的，允许用户指定任何所需的基因组目标序列和要插入的任何供体 DNA 分子。

“桥接 RNA 系统是一种全新的生物编程机制，”这项研究的资深作者、Arc 研究所核心研究员兼加州大学伯克利分校生物工程学助理教授 Hsu 说道。“桥接重组可以通过序列特异性插入、切除、倒置等方式普遍修改遗传物质，从而为 CRISPR 以外的活体基因组提供文字处理器。”

Arc 高级科学家 Matthew Durrant 和加州大学伯克利分校生物工程研究生 Nick Perry 是该发现的主要作者。这项研究是与 Arc 研究所核心研究员兼斯坦福大学生物化学助理教授 Silvana Konermann 和东京大学结构生物学教授 Hiroshi Nishimasu 的实验室合作开展的。

可编程RNA

桥式重组系统源自插入序列 110 (IS110) 元件，它是无数种转座元件(或“跳跃基因”)之一，它们通过剪切和粘贴自身在微生物基因组内和之间移动。转座元件存在于所有生命形式中，并且为了生存而进化成为专业的 DNA 操纵机器。IS110 元件非常小，仅由编码重组酶的基因以及迄今为止仍是一个谜的侧翼 DNA 片段组成。

Hsu 实验室发现，当 IS110 从基因组中切除时，非编码 DNA 末端会连接在一起，产生一个 RNA 分子——桥 RNA，该分子折叠成两个环。一个环与 IS110 元件本身结合，而另一个环与元件将插入的目标 DNA 结合。桥 RNA 是双特异性引导分子的第一个例子，它通过碱基配对相互作用指定目标和供体 DNA 的序列。

桥接 RNA 的每个环都是独立可编程的，这使得研究人员能够混合和匹配任何感兴趣的目标和供体 DNA 序列。这意味着该系统可以远远超出其插入 IS110 元素本身的自然作用，而是能够将任何所需的遗传物质(如有缺陷的致病基因的功能性副本)插入任何基因组位置。在这项研究中，该团队证明了大肠杆菌中所需基因的插入效率超过 60% ，对正确基因组位置的特异性超过 94%。

“这些可编程桥接RNA使IS110与其他已知的重组酶有所区别，后者缺乏RNA成分，无法进行编程，”研究生尼克·佩里说。“桥接RNA就像一个通用电源适配器，使IS110可以与任何插座兼容。”

Hsu 实验室的发现与东京大学 Hiroshi Nishimasu 博士实验室的合作相得益彰，该研究成果今天也发表在《自然》杂志上。Nishimasu 实验室利用低温电子显微镜确定了与靶标和供体 DNA 结合的重组酶桥 RNA 复合物的分子结构，并按顺序完成了重组过程的关键步骤。

随着进一步的探索和发展，桥接机制有望引领第三代 RNA 引导系统，超越 CRISPR 和 RNA 干扰 (RNAi) 的 DNA 和 RNA 切割机制，为可编程 DNA 重排提供统一机制。桥接重组酶对于进一步开发用于哺乳动物基因组设计的桥接重组系统至关重要，它可以连接两条 DNA 链而不会释放切割的 DNA 片段，从而避开当前最先进的基因组编辑技术的一个关键限制。

“桥式重组机制解决了其他基因组编辑方法面临的一些最根本的挑战，”研究联合负责人 Durrant 表示。“可编程地重新排列任意两个 DNA 分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。”