张锋团队《科学》,发现新型基因编辑系统!比CRISPR-Cas更灵活

B站影视 日本电影 2025-03-12 19:54 1

摘要:作为CRISPR基因编辑技术的先驱之一,2013年,张锋教授团队首次将诞生不久的CRISPR-Cas9基因编辑系统改进、应用于哺乳动物和人类细胞,掀起了一场生物技术革命。如今,这套基因编辑工具在生命科学研究中得到广泛应用;基于CRISPR-Cas9的首款基因编

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2025年03月05日 10:11上海

作为CRISPR基因编辑技术的先驱之一,2013年,张锋教授团队首次将诞生不久的CRISPR-Cas9基因编辑系统改进、应用于哺乳动物和人类细胞,掀起了一场生物技术革命。如今,这套基因编辑工具在生命科学研究中得到广泛应用;基于CRISPR-Cas9的首款基因编辑疗法已经获批用于治疗镰刀型细胞贫血病,此外还有多款疗法正在临床试验阶段。

CRISPR-Cas9诞生后,这位任职于Broad研究所、麻省理工学院的科学家仍在持续拓展基因编辑工具箱。2021年,张锋团队在一篇《科学》论文中,报道了一类起源于细菌的全新RNA引导核酸酶——CRISPR-Cas系统的“祖先”OMEGA。2023年,他们又在一项《自然》研究中,首次在真核生物中发现了可编程的RNA引导系统——Fanzor蛋白,这个能够精准靶向DNA的“真核生物CRSIPR”,有潜力成为更精准的基因编辑工具。就在同一年,张锋团队借助创新算法,在一篇《科学》论文中,从大量极端环境微生物中一次性挖掘出188种新型CRISPR系统,有望带来新型基因编辑工具……

▲就在两周前,张锋团队发表《细胞》论文,破解了CRISPR-Cas13系统的进化起源之谜。点击此处阅读报道。(图片来源:张锋实验室主页/MIT麦戈文脑科学研究所)

正如这188种新型CRISPR系统的发现,自然多样性蕴含了大量潜在的基因编辑工具,从大自然中的“寻宝”或许能挖掘出更多基因编辑系统。在一项发表于《科学》杂志的新研究中,张锋团队揭示了一种全新的RNA引导系统——TIGR-Tas。相比于CRISPR-Cas,TIGR-Tas系统拥有更高的靶向灵活性,并且递送难度更低。这一发现不仅拓展了RNA引导系统的多样性,还为基因编辑工具的开发提供了全新思路。

RNA引导系统是通过RNA分子指导蛋白质,靶向特定核酸序列的分子工具。不过,现有的RNA引导系统仍存在局限性。例如,CRISPR-Cas需要依赖特定的PAM(原间隔区相邻基序)序列来识别目标位点,这限制了其靶向范围;此外,CRISPR系统需要复杂的适配蛋白,也增加了工程化改造的难度。因此,寻找更简单、更灵活的RNA引导系统成为科学界的重要目标。

在最新研究中,张锋团队从CRISPR-Cas9蛋白的结构出发,重点关注了其RNA结合域——这里正是CRISPR-Cas9易于重编程、成为主流基因编辑工具的重要特征。研究团队对数亿种蛋白质开展了结构同源性搜索,结果IS110转座酶脱颖而出,与Cas9的RNA结合域表现出了相似性。

在筛选出IS110的RNA引导作用后,研究团队进一步挖掘发现,IS110的RNA结合区域和Nop结构域家族类似。Nop结构域在真核生物中有RNA引导功能,团队推测其在原核生物中可能参与类似的RNA-蛋白质协作机制,因此成为挖掘新型RNA引导系统的关键线索。

接下来,研究团队从Nop结构域的“邻居”里找到了目标。基因组环境分析发现,Nop结构域蛋白的编码基因与简称TIGR的长串联重复长阵列相连。这些TIGR长阵列由交替的短重复序列(8-12 nt)和间隔序列(9 nt)组成。这种规律性的间隔重复序列,恰好是CRISPR系统的特征。

▲TIGR系统的发现(图片来源:参考资料[1])

到这里,张锋团队锁定了TIGR-Tas系统。TIGR-Tas系统由两部分组成:刚刚介绍的TIGR阵列和Tas蛋白。其中,Tas蛋白根据功能分为三类:TasA(仅含Nop结构域)、TasH(Nop与HNH核酸酶融合)和TasR(Nop与RuVC核酸酶融合)。这种模块化设计使TIGR-Tas系统能够执行DNA切割、基因调控等多种任务。

进一步的研究发现,TIGR阵列被转录为长链RNA前体,随后可被加工成36 nt的tigRNA(TIGR向导RNA)。tigRNA的加工依赖Tas蛋白的存在,但不需要其核酸酶活性。

一个重要发现是,尽管TIGR-Tas与CRISPR-Cas系统有着相似的特性,两者却拥有不同的识别机制——每个tigRNA包含两个间隔序列,分别与目标DNA的两条链互补,因此与CRISPR的单链靶向不同,TIGR-Tas通过双间隔靶向识别双链DNA,并且无需PAM序列。这种机制赋予其更高的靶向灵活性。

在对Tas蛋白的体外实验中,TasR和TasH展现出RNA引导的DNA切割能力。研究团队进一步将TasR引入人类细胞,成功在多个基因位点诱导了插入/缺失突变,编辑效率最高为3.6%。需要指出的是,目前3.6%的编辑效率显然低于CRISPR-Cas9,但TIGR-Tas无需依赖PAM的特性,为开发新型碱基编辑器与先导编辑器提供了可能。此外,Tas蛋白相比于Cas9蛋白体积更小,这也降低了体内递送的难度。

▲TIGR系统通过RNA引导切割DNA的结构基础(图片来源:参考资料[1])

最后,研究团队通过冷冻电镜解析了TasR-tigRNA-DNA复合物的结构,并且从结构相似性中推测,TIGR系统可能与真核生物的snoRNA系统具有共同进化起源。对于Tas蛋白,无核酸酶的TasA可能是原始形式,而TasR和TasH通过融合不同的核酸酶结构域演化出切割功能。这种模块化演化模式为理解RNA引导系统的多样性提供了新视角。

综上,张锋团队在最新研究中开发了一种全新的RNA引导系统——TIGR-Tas,其“双间隔靶向”和“无PAM依赖”特性使其在基因编辑领域具有独特优势。例如,传统CRISPR-Cas受限于PAM序列,而TIGR-Tas可靶向更广泛的基因组区域。此外,其紧凑的架构(仅需单个效应蛋白和短tigRNA)简化了递送系统的设计,在病毒载体容量有限的情况下更具应用潜力。张锋团队表示,目前他们目前正在研究TIGR系统在病毒中的作用,以及如何将其应用于研究与治疗。随着进一步的研究,这个“基因魔剪家族”的新成员或许将在精准医学、合成生物学等领域扮演重要角色。

参考资料:

[1] Guilhem Faure et al., TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses. Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv9789

来源:营养和医学

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