基因的 "文字处理器" - 科学家揭示生物编程的全新机制

Arc 研究所的科学家们发现了桥式重组酶机制，这是一种革命性的工具，可实现完全可编程的DNA重排。他们的发现详见最近发表在《自然》杂志上的文章，这是首个利用非编码RNA进行目标和供体 DNA 分子序列特异性选择的 DNA 重组酶。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任何要插入的供体 DNA 分子。

桥式重组酶机制的可视化。来源：视觉科学

这项研究是与 Arc 研究所核心研究员、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 的实验室合作完成的。

桥式重组酶机制的可视化，突出显示供体和目标结合环。来源：视觉科学

基因编程新时代

该研究的资深作者、Arc 研究所核心研究员、加州大学伯克利分校生物工程助理教授 Patrick Hsu 博士说："桥式 RNA 系统是一种全新的生物编程机制。桥式重组可以通过序列特异性插入、切除、反转等方式普遍修改遗传物质，从而实现超越CRISPR的活体基因组文字处理器。"

桥式重组系统源于插入序列 110（IS110）元件，它是无数种可转座元件（或称"跳跃基因"）中的一种，可在微生物基因组内部和之间进行剪切和粘贴。可转座元件遍布所有生命形式，并已进化成专业的 DNA 操作机器，以求生存。IS110元件非常简单，仅由一个编码重组酶的基因和侧翼DNA片段组成，而这些DNA片段直到现在仍是一个谜。

可视化桥式重组酶机制，突出显示转座子 DNA 和基因组目标位点。来源：视觉科学

桥式 RNA 的先进机制

Hsu 实验室发现，当 IS110 从基因组中切除时，非编码 DNA 的末端会连接在一起，产生一个折叠成两个环的 RNA 分子--桥接 RNA。其中一个环路与 IS110 元本身结合，而另一个环路则与插入 IS110 元的目标 DNA 结合。桥接 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 DNA 和供体 DNA 的序列。

研究小组发现了桥式重组酶机制，这是一种以可编程方式重组和重排 DNA 的精确而强大的工具。桥式重组酶机制远远超越了CRISPR等可编程基因剪刀，它使科学家们不仅能指定要修改的目标DNA，还能指定要识别的供体材料，因此他们可以插入新的功能性遗传物质，剪除有问题的DNA，或反转任何两个感兴趣的序列。通过这段可视化桥式重组机制关键环节的视频短片，您可以了解更多信息。来源：视觉科学

桥接 RNA 的每个环路都可独立编程，研究人员可以将感兴趣的目标 DNA 序列与供体 DNA 序列混合匹配。这意味着该系统可以远远超越其插入 IS110 元件本身的天然作用，而是能够将任何理想的基因载荷（如有缺陷的致病基因的功能拷贝）插入到任何基因组位置。在这项工作中，研究小组证明，在大肠杆菌中插入所需基因的效率超过 60%，对正确基因组位置的特异性超过 94%。

共同第一作者、加州大学伯克利分校生物工程研究生尼克-佩里（Nick Perry）说："这些可编程桥接 RNA 将 IS110 与其他已知重组酶区分开来，后者缺乏 RNA 成分，无法进行编程。就好像桥接 RNA 是一个通用电源适配器，能让 IS110 与任何插座兼容"。

Patrick Hsu、Nick Perry 和 Matt Durrant 讨论新发现的桥式重组酶机制。图片来源：Ray Rudolph

合作研究和未来影响

Hsu实验室与东京大学Hiroshi Nishimasu博士实验室的合作补充了他们的发现，这一发现也于6月26日发表在《自然》杂志上。Nishimasu 实验室利用低温电子显微镜确定了与目标 DNA 和供体 DNA 结合的重组酶桥 RNA 复合物的分子结构，并依次对重组过程的关键步骤进行了分析。

Januka Athukoralage、Nicholas Perry、Silvana Konermann、Matthew Durrant、Patrick Hsu、James Pai 和 Aditya Jangid。图片来源：雷-鲁道夫

随着进一步的探索和发展，桥接机制有望开创第三代 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。对于哺乳动物基因组设计桥式重组系统的进一步发展至关重要的是，桥式重组酶可以连接两条 DNA 链，而不会释放切割 DNA 片段--这避开了当前最先进基因组编辑技术的一个关键局限。

"桥式重组机制解决了其他基因组编辑方法所面临的一些最基本的挑战，"研究共同负责人、Arc 公司资深科学家马修-达兰特（Matthew Durrant）说。"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"。

编译自/ScitechDaily