Science子刊：藻类、蜗牛和其他生物中发现了数千种可编程的DNA切割器

各种各样的物种，从蜗牛到藻类再到变形虫，都能制造一种叫做Fanzors的可编程DNA切割酶，麻省理工学院麦戈文脑研究所的科学家们的一项新研究已经确定了数千种这种酶。Fanzors是一种RNA引导酶，可以通过编程在特定位点切割DNA，就像为广泛使用的基因编辑系统CRISPR提供动力的细菌酶一样。9月27日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的新发现的天然Fanzor酶的多样性，为科学家们提供了一套广泛的可编程酶，这些酶可能被改编成研究或医学的新工具。

“RNA引导的生物学可以让你制作易于使用的可编程工具。所以我们能找到的越多越好，”麦戈文研究员Omar Abudayyeh说，他和麦戈文研究员 Jonathan Gootenberg一起领导了这项研究。

CRISPR是一种古老的细菌防御系统，它已经清楚地表明，当RNA引导的酶被用于实验室时，它们是多么有用。由麻省理工学院教授和麦戈文研究员张峰、Abudayyeh、Gootenberg等人开发的基于CRISPR的基因组编辑工具改变了科学家修改DNA的方式，加速了研究并使许多实验性基因疗法得以发展。

此后，研究人员在细菌世界中发现了其他RNA引导酶，其中许多酶具有使其在实验室中具有价值的特征。今年早些时候，Zhang的团队报道了Fanzors的发现，它能够以RNA引导的方式切割DNA，开辟了RNA引导生物学的新前沿。Fanzors是第一个在真核生物中发现的这种酶，真核生物是一种广泛的生命形式，包括植物、动物和真菌，由保存每个细胞遗传物质的膜结合核定义。(细菌没有细胞核，属于原核生物。)

“很长一段时间以来，人们一直在原核生物系统中寻找有趣的工具，我认为这已经取得了令人难以置信的成果，”Gootenberg说。“真核系统真的是一个全新的工作场所。”

Abudayyeh和Gootenberg说，一个希望是，在真核生物中自然进化的酶可能更适合在包括人类在内的其他真核生物的细胞中安全有效地发挥作用。Zhang的团队已经证明，Fanzor酶可以被设计成精确地切割人类细胞中的特定DNA序列。在这项新研究中，Abudayyeh和Gootenberg发现，一些Fanzors甚至可以在没有优化的情况下靶向人类细胞中的DNA序列。Gootenberg说:“事实上，它们在哺乳动物细胞中非常有效地工作，这真是太棒了。”

在目前的研究之前，已经在真核生物中发现了数百个Fanzors。在实验室成员Justin Lim的带领下，通过对基因数据库的广泛搜索，Gootenberg和Abudayyeh的团队现在已经将这些酶的已知多样性扩大了一个数量级。

在该团队在真核生物和感染它们的病毒中发现的3600多个Fanzors中，研究人员能够识别出5个不同的酶家族。通过比较这些酶的精确组成，他们发现了长期进化历史的证据。

Fanzors可能是从RNA引导的DNA切割细菌酶TnpBs进化而来的。事实上，正是Fanzors与这些细菌酶的基因相似性首先引起了张和Gootenberg以及Abudayyeh团队的注意。

Gootenberg和Abudayyeh追踪的进化联系表明，这些Fanzors的细菌前身可能不止一次地进入真核细胞，开始它们的进化。有些可能是由病毒传播的，而另一些可能是由共生细菌引入的。研究还表明，在它们被真核生物吸收后，这些酶进化出了适合新环境的特征，比如一个允许它们进入细胞核的信号，在那里它们可以接触到DNA。

通过由生物工程研究生蒋凯义领导的遗传和生化实验，研究小组确定，Fanzors进化出了一种DNA切割活性位点，与它们的细菌前辈不同。这似乎允许这种酶更精确地切割其目标序列TnpB的祖先，当目标是试管中的DNA序列时，被激活并切割试管中的其他序列。当他们使用RNA向导来指导酶切割人类细胞基因组中的特定位点时，他们发现某些Fanzors能够以大约10%到20%的效率切割这些目标序列。

通过进一步的研究，Abudayyeh和Gootenberg希望能够从Fanzors中开发出各种复杂的基因组编辑工具。“这是一个新的平台，他们有很多功能，”Gootenberg说。

Abudayyeh补充说:“向这些类型的RNA引导系统开放整个真核世界将给我们带来很多工作。”