发布日期： 2024年07月08日
来源：Nature
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Arc研究所的科学家们发现了桥接重组酶机制，这是一种革命性的工具，可以实现完全可编程的DNA重排。
他们的发现详细发表在最近的《Nature》杂志上，这是第一个使用非编码RNA对目标和供体DNA分子进行序列特异性选择的DNA重组酶。这种桥接RNA（bridge RNA）是可编程的，允许用户指定任何所需的基因组靶序列和插入的任何供体DNA分子。
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。
“桥接RNA系统是一种全新的生物编程机制，”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。桥接重组可以通过特定序列的插入、切除、反转等方式普遍修改遗传物质，使活基因组成为超越CRISPR的文字处理器。”
桥接重组系统源于插入序列110 (IS110)元件，这是无数类型的转座元件中的一种，或称为“跳跃基因”，可以在微生物基因组内部和之间剪切和粘贴自己。转座因子存在于所有生命形式中，并已进化成专业的DNA操作机器以生存。IS110元素非常少，仅由编码重组酶的基因和两侧的DNA片段组成，到目前为止，这些DNA片段仍然是一个谜。
Hsu实验室发现，当IS110从基因组中切除自身时，非编码DNA末端连接在一起，产生一个RNA分子——桥接RNA——折叠成两个环。一个环与IS110元件本身结合，而另一个环与将插入元件的目标DNA结合。桥接RNA是双特异性引导分子的第一个例子，通过碱基配对相互作用指定靶DNA和供体DNA的序列。
Arc研究所的一组研究人员发现了桥接重组酶机制，这是一种精确而强大的工具，可以以可编程的方式重组和重新排列DNA。桥接重组酶机制远远超过了CRISPR这样的可编程基因剪刀，它使科学家不仅可以指定要修饰的目标DNA，还可以指定要识别的供体物质，因此他们可以插入新的、功能性的遗传物质，剪切有缺陷的DNA，或逆转任何两个感兴趣的序列。在这个简短的视频中发现更多可视化桥接重组机制的关键方面。来源:视觉科学
桥接RNA的每个环都是独立可编程的，允许研究人员混合和匹配任何感兴趣的目标和供体DNA序列。这意味着该系统可以远远超出其插入IS110元素本身的自然作用，而可以将任何理想的遗传货物(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，该团队证明了所需基因在大肠杆菌中的插入效率超过60%，对正确基因组位置的特异性超过94%。
“这些可编程的桥接RNA将IS110与其他已知的重组酶区分开来，后者缺乏RNA成分，无法编程，”加州大学伯克利分校生物工程研究生Nick Perry说。“就好像桥接RNA是一个通用电源适配器，使IS110与任何插座兼容。”
Hsu实验室的发现得到了他们与东京大学的Hiroshi Nishimasu博士实验室合作的补充，该研究也发表在6月26日的《Nature》杂志上。Nishimasu实验室使用低温电子显微镜确定了与靶DNA和供体DNA结合的重组酶桥接RNA复合物的分子结构，并依次进行了重组过程的关键步骤。
随着进一步的探索和发展，桥接机制有望迎来第三代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重排提供统一的机制。对于哺乳动物基因组设计桥接重组系统的进一步发展至关重要，桥接重组酶连接两个DNA链而不释放切割的DNA片段-避免了当前最先进的基因组编辑技术的一个关键限制。
“桥接重组机制解决了其他基因组编辑方法面临的一些最根本的挑战，”该研究的联合负责人、Arc的高级科学家Matthew Durrant说。“以编程方式重新排列任意两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。”
“Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA” by Matthew G. Durrant, Nicholas T. Perry, James J. Pai, Aditya R. Jangid, Januka S. Athukoralage, Masahiro Hiraizumi, John P. McSpedon, April Pawluk, Hiroshi Nishimasu, Silvana Konermann and Patrick D. Hsu, 26 June 2024, Nature.
“Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination” by Masahiro Hiraizumi, Nicholas T. Perry, Matthew G. Durrant, Teppei Soma, Naoto Nagahata, Sae Okazaki, Januka S. Athukoralage, Yukari Isayama, James J. Pai, April Pawluk, Silvana Konermann, Keitaro Yamashita, Patrick D. Hsu and Hiroshi Nishimasu, 26 June 2024, Nature.
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