Science：張鋒團(tuán)隊(duì)擴(kuò)大基因組編輯的工具箱

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2025-03-03 16:28:00【大中小】

摘要：Broad研究所張鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近日擴(kuò)大了基因組編輯的工具箱。

Broad研究所張鋒教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近日擴(kuò)大了基因組編輯的工具箱。他們?cè)趯?duì)自然多樣性進(jìn)行深入探索后，發(fā)現(xiàn)了一些古老的系統(tǒng)。這些被稱為TIGR（串聯(lián)間隔向?qū)NA）的系統(tǒng)在向?qū)NA的引導(dǎo)下到達(dá)DNA上的特定位點(diǎn)。

TIGR系統(tǒng)可以重編程，以靶向任何感興趣的DNA序列，并且它們具有不同的功能模塊，可以對(duì)靶向的DNA發(fā)揮作用。除了模塊化之外，TIGR系統(tǒng)與CRISPR等系統(tǒng)相比非常小巧，這在治療應(yīng)用中將是一大優(yōu)勢(shì)。

圖1 TIGR-Tas：原核生物及其病毒中的模塊化RNA引導(dǎo)DNA靶向系統(tǒng)家族

這項(xiàng)研究成果于2025年2月27日在線發(fā)表于《Science》雜志上。

據(jù)張鋒介紹，這是一個(gè)用途非常廣泛的系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，TIGR相關(guān)（Tas）蛋白都有一種特征性的RNA結(jié)合組分，能夠與向?qū)NA相互作用。有些蛋白利用鄰近的DNA切割組分切割該位點(diǎn)上的DNA。這種模塊化有助于工具開發(fā)，允許研究人員將一些新功能整合到天然的Tas蛋白中。

“大自然真是不可思議，”張鋒說，他也是麥戈文腦科學(xué)研究院的研究員。“它擁有大量的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以發(fā)現(xiàn)新的生物機(jī)制，并將其用于不同的應(yīng)用，以操縱生物過程。”

此前，張鋒團(tuán)隊(duì)將細(xì)菌CRISPR系統(tǒng)改造為基因編輯工具，徹底改變了現(xiàn)代生物學(xué)。他的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了多種可編程蛋白，既有來自CRISPR系統(tǒng)的，也有其他來源的。

在這項(xiàng)新工作中，為了尋找新的可編程系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)首先鎖定了CRISPR Cas9蛋白的一個(gè)結(jié)構(gòu)特征，那就是與向?qū)NA結(jié)合。這是Cas9成為強(qiáng)大工具的關(guān)鍵特征。“被RNA引導(dǎo)使得它相對(duì)容易重新編程，因?yàn)槲覀冎繰NA如何與其他DNA或其他RNA結(jié)合，”張鋒解釋道。

他們搜索了數(shù)億個(gè)已知或預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，尋找具有類似結(jié)構(gòu)域的蛋白。為了找到親緣關(guān)系更遠(yuǎn)的蛋白，他們采用了一個(gè)迭代過程：從Cas9開始，他們鑒定出一種名為IS110的蛋白，此前已有研究表明它能夠與RNA結(jié)合。他們隨后鎖定IS110的結(jié)構(gòu)特征，并重復(fù)搜索。

此時(shí)，搜索發(fā)現(xiàn)了許多親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的蛋白質(zhì)，因此團(tuán)隊(duì)需要借助人工智能來梳理這份清單。張鋒實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算生物學(xué)家Guilhem Faure解釋說：“當(dāng)你進(jìn)行迭代、深入挖掘時(shí)，得到的結(jié)果可能是多樣化的，很難用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)發(fā)育方法進(jìn)行分析，因?yàn)檫@些方法依賴于保守序列。”

利用蛋白質(zhì)大型語言模型，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)蛋白質(zhì)的可能進(jìn)化關(guān)系，將他們發(fā)現(xiàn)的蛋白分組。其中一組讓他們印象深刻，因?yàn)樗鼈兪怯蓭в幸?guī)律間隔重復(fù)序列的基因編碼的，這讓人聯(lián)想到CRISPR系統(tǒng)。至此，他們發(fā)現(xiàn)了TIGR-Tas系統(tǒng)。

張鋒及其同事發(fā)現(xiàn)了超過20000種不同的Tas蛋白，它們大多存在于感染細(xì)菌的病毒中。每個(gè)基因重復(fù)區(qū)域（TIGR陣列）內(nèi)的序列編碼RNA向?qū)В鼈兣c蛋白質(zhì)的RNA結(jié)合部分相互作用。有些蛋白的RNA結(jié)合區(qū)域與DNA切割部分相鄰。另一些似乎與其他蛋白質(zhì)結(jié)合，這表明它們可能有助于將這些蛋白引導(dǎo)至DNA靶點(diǎn)。

研究人員對(duì)數(shù)十種Tas蛋白進(jìn)行了分析，證明有些蛋白質(zhì)可以被編程，在人體細(xì)胞中對(duì)DNA進(jìn)行定向切割。由于他們考慮將TIGR-Tas系統(tǒng)開發(fā)為可編程工具，這些特征的存在可以使這些工具變得更加靈活和精確。

他們指出，CRISPR系統(tǒng)只能被引導(dǎo)至兩側(cè)有PAM短序列的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白沒有這樣的要求。“這意味著從理論上講，基因組中的任何位點(diǎn)都可以被靶向，”科學(xué)顧問Rhiannon Macrae說。

實(shí)驗(yàn)還表明，TIGR系統(tǒng)具有“雙重引導(dǎo)系統(tǒng)”，與DNA雙螺旋的兩條鏈相互作用以鎖定其目標(biāo)序列，這能確保它們只在RNA引導(dǎo)的位置上發(fā)揮作用。此外，Tas蛋白體積小巧，平均只有Cas9大小的四分之一，這使得它們更容易遞送，這有望克服基因編輯工具在治療方面的一個(gè)主要障礙。

張鋒團(tuán)隊(duì)對(duì)這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)感到興奮，他們目前正在研究TIGR系統(tǒng)在病毒中的天然作用，以及如何將它們用于研究或治療。他們已經(jīng)確定了一種在人類細(xì)胞中起作用的Tas蛋白的分子結(jié)構(gòu)，并將利用這些信息來指導(dǎo)他們的工作，使其更加有效。

參考資料

[1] TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses