子科生物報道：對自然多樣性的廣泛探索使麻省理工學院麥戈文腦研究所和Broad研究所的科學家們發(fā)現(xiàn)了古老的TIGR（串聯(lián)間隔引導RNA）系統(tǒng)，這些系統(tǒng)有望擴展基因編輯工具箱。這些系統(tǒng)使用RNA引導它們到達DNA上的特定位置。TIGR系統(tǒng)可以被重新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，可以作用于靶向的DNA。與CRISPR等其他RNA引導系統(tǒng)相比，TIGR系統(tǒng)非常緊湊，這在治療應用中是一個主要優(yōu)勢。這些發(fā)現(xiàn)于2月27日在線發(fā)表在《Science》雜志上。

“這是一個功能多樣化的RNA引導系統(tǒng)。”領導這項研究的麻省理工學院神經(jīng)科學教授Feng Zhang說。Zhang的團隊發(fā)現(xiàn)的TIGR相關（Tas）蛋白具有一個特征性的RNA結合組分，該組分與RNA引導相互作用，將其引導至基因組中的特定位置。其中一些蛋白會在該位置切割DNA，利用蛋白的相鄰DNA切割段。這種模塊化特性可能有助于工具開發(fā)，允許研究人員將有用的特性整合到天然Tas蛋白中。

“自然是非常神奇的。”Zhang說，“它擁有巨大的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以發(fā)現(xiàn)新的生物機制，并將其應用于不同的應用中，以操縱生物過程。”此前，Zhang的團隊將細菌CRISPR系統(tǒng)改編為基因編輯工具，徹底改變了現(xiàn)代生物學。他的團隊還發(fā)現(xiàn)了多種可編程蛋白，包括CRISPR系統(tǒng)之外的蛋白。

在他們的新工作中，為了尋找新的可編程系統(tǒng)，團隊首先聚焦于CRISPR-Cas9蛋白的一個結構特征，該特征使其能夠結合RNA引導。這是使Cas9成為強大工具的關鍵特征：“RNA引導使其相對容易重新編程，因為我們知道RNA如何與其他DNA或RNA結合?！盳hang解釋道。他的團隊搜索了數(shù)億個已知或預測結構的生物蛋白，尋找具有類似結構域的蛋白。為了找到更遠親緣關系的蛋白，他們采用迭代過程：從Cas9出發(fā)，他們發(fā)現(xiàn)了一種名為IS110的蛋白，該蛋白此前已被證明能夠結合RNA。他們隨后聚焦于IS110的RNA結合結構特征，并重復搜索。

此時，搜索結果中出現(xiàn)了如此多遠親緣關系的蛋白，以至于團隊轉向人工智能來梳理這份清單?！爱斈氵M行迭代深度挖掘時，結果可能如此多樣，以至于難以使用依賴保守序列的標準系統(tǒng)發(fā)育方法進行分析?！盳hang實驗室的計算生物學家Guilhem Faure解釋道。通過使用蛋白質大語言模型，團隊能夠根據(jù)它們可能的進化關系將發(fā)現(xiàn)的蛋白分組。其中一個組脫穎而出，其成員特別引人注目，因為它們由具有規(guī)律間隔重復序列的基因編碼，這些序列類似于CRISPR系統(tǒng)的必要組成部分。這些就是TIGR-Tas系統(tǒng)。

Zhang的團隊發(fā)現(xiàn)了超過20,000種不同的Tas蛋白，主要存在于感染細菌的病毒中。每個基因的重復區(qū)域內(nèi)的序列——其TIGR陣列——編碼一個RNA引導，該引導與蛋白的RNA結合部分相互作用。在某些情況下，RNA結合區(qū)域與蛋白的DNA切割部分相鄰。其他一些則似乎能夠結合其他蛋白，這表明它們可能有助于將這些蛋白引導至DNA靶點。

Zhang及其團隊對數(shù)十種Tas蛋白進行了實驗，證明其中一些可以被編程以在人類細胞中對DNA進行靶向切割。在考慮將TIGR-Tas系統(tǒng)開發(fā)為可編程工具時，研究人員對其可能具有的靈活性和精確性充滿信心。

他們指出，CRISPR系統(tǒng)只能被引導至兩側有短序列基序（PAM，原間隔相鄰基序）的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白沒有這樣的要求。“這意味著理論上，基因組中的任何位點都可以被靶向。”科學顧問Rhiannon Macrae說。該團隊的實驗還表明，TIGR系統(tǒng)具有Faure所說的“雙引導系統(tǒng)”，與DNA雙螺旋的兩條鏈相互作用以定位目標序列，這將確保它們僅在其RNA引導所指示的位置發(fā)揮作用。此外，Tas蛋白非常緊湊——平均為Cas9的四分之一大小——這使得它們更容易遞送，從而克服了基因編輯工具治療應用中的一個主要障礙。

對這一發(fā)現(xiàn)感到興奮的Zhang團隊目前正在研究TIGR系統(tǒng)在病毒中的天然作用，以及它們?nèi)绾伪桓木幱糜谘芯炕蛑委?。他們已?jīng)確定了一種在人類細胞中起作用的Tas蛋白的分子結構，并將利用這些信息指導其提高效率的努力。此外，他們還注意到TIGR-Tas系統(tǒng)與人類細胞中某些RNA處理蛋白之間的聯(lián)系。“我認為在這些關系中還有更多值得研究的內(nèi)容，它可能幫助我們更好地理解這些系統(tǒng)在人類中的應用。”Zhang說。