Cell出乎意料新发现：在基因组编辑中具有潜在应用的细菌防御

科学家们在一项新的研究中描述了一种细菌防御策略的一步一步的细节，他们认为这种机制是开发一种新的基因组编辑方法的有希望的平台。

该系统涉及两种蛋白质，它们联合起来使质粒失效，质粒是在不同细菌菌株之间交换遗传信息的小DNA分子。虽然质粒提供了进化上的好处，但它们也可能被宿主细菌视为威胁。

研究小组确定，一种蛋白质使用一段短的DNA片段——被称为DNA向导，来引发招募另一种蛋白质来切割质粒的事件。

除了揭示细菌生存的秘密之外，这项研究还发现了可以应用于基因编辑的成分:引导DNA，它比引导RNA更稳定，合成成本更低，以及一种足够小的功能性蛋白质，可以传递到哺乳动物细胞中，用于DNA传感和基因编辑目的。

俄亥俄州立大学医学院生物化学和药理学助理教授Tianmin Fu说:“这个系统有很大的潜力发展成为一种基因组编辑工具。我们现在正试图测试它是否可以被重新编程为一项有用的技术。”

这篇论文发表在8月21日的《细胞》杂志上。

质粒在细菌中的存在是众所周知的——一些细菌分泌质粒，质粒分子也可以从一个细胞移动到另一个细胞以共享遗传信息。

“这就是为什么细菌进化得如此之快，有时，质粒可以整合到基因组DNA中，但这是随机发生的。它们可能会给单个细菌的生存带来困难，但从长远来看，质粒对整个群落有益，因为遗传信息允许细菌获得新的特征。”

尽管如此，细菌还是倾向于消灭质粒，以防止它们可能采取的任何随机威胁行动。

Fu和他的同事们用霍乱弧菌作为模型来研究被称为DdmDE的质粒防御系统，该系统由蛋白质DdmD和DdmE组成，并使用冷冻电子显微镜观察它们的功能。

这个过程开始于DdmE与一个非常短的DNA片段结合，称为引导DNA，这使得蛋白质能够识别目标质粒，并通过利用质粒的双链之一形成气泡来捕获它。气泡复合物招募DdmD蛋白，它只能结合到质粒的自由剩余链上。一旦结合，DdmD解离成两个独立的分子，它们都像剪刀一样将质粒切成碎片。

该团队实验的初步数据表明，在DdmD切割后留下的质粒片段可以作为引导DNA的一部分，DdmE可以与之结合以重复这一过程。

“这似乎是一个反馈循环，一旦你创造了质粒片段，那么更多的DdmE就可以获得这些片段作为指导，以靶向细胞中的更多质粒。”Fu教授说。

然而，他补充说:“目前我们还不清楚第一个向导是如何在细胞中产生的。这是一个‘先有鸡还是先有蛋’的问题。”

这一发现是出乎意料的，因为DdmE与Argonaute蛋白的超家族具有相似的特性，这些超家族可以触发宿主细菌的死亡，以避免质粒入侵。然而，Argonautes是由引导RNA而不是引导DNA辅助的，而引导DNA是DdmDE系统作为旨在预防疾病的基因组编辑平台具有吸引力的主要原因。

“因为DdmE需要引导DNA，所以我们可以合成引导DNA来靶向基因组中非常特定的区域，”Fu说。“我们现在正在哺乳动物细胞中进行测试，看看它是否有效，我们确实看到了一些潜力。”

这项研究得到了美国国立卫生研究院的支持。