青出于蓝!张锋的学生Patrick Hsu连发2篇Nature，推出基于“桥RNA”的全新基因编辑技术

来源：生物世界 2024-07-12 15:24

该研究显示，IS110编码一个重组酶和一个非编码的桥RNA（bridge RNA），桥RNA能够特异性地与编码的重组酶结合。

Arc研究所的Patrick Hsu等人在Nature期刊同期发表了两篇研究论文，这两篇论文描述了一种受桥RNA（Bridge RNA）引导的重组酶的特性，其能够在特定基因组位点插入、倒位或删除长片段DNA序列，从而使这些重组酶能够重编程以实现新的基因组编辑能力。

能实现这些基本DNA重排（插入、倒位或删除）的单个步骤或提供一种更简易的基因组编辑方法。该方法或比现有技术更有优势，有望比现有技术进行更有效的大规模基因组编辑，以及能介导重组而不是造成需要修复的断裂。

值得一提的是，这两篇论文的通讯作者Patrick Hsu是CRISPR基因编辑先驱张锋教授的第一届研究生。

张锋（左），Patrick Hsu（右）

Patrick Hsu（左）和论文共同第一作者Nick Perry、Matt Durrant

第一篇论文题为：Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA。

在这篇论文中，研究团队描述了一种将可编程重组酶用于基因编辑的技术。这些重组酶由RNA引导，RNA则作为引导重组酶靶向位点和促进预选编辑的 桥 （Bridge）。这个RNA桥含有一个指定供体DNA序列的区域以及另一个指定基因组插入位点的区域。这两个区域都能通过独立重编程识别并结合不同的DNA序列或插入位点，并对不同类型的DNA重排使用一种通用机制。这个桥RNA比使用常规重组酶的现有基因编辑技术更易修饰，现有基因编辑技术需利用更复杂的蛋白质-DNA结合位点。

进化已经赋予了大量的酶来完成基因组重排和多样化的任务。这一过程使得新基因的出现和功能特化成为可能，并促进了系统的发展以及病毒和可移动遗传元件（MGE）的机会性传播。MGE存在于所有生命形式中，通常通过转座酶、整合酶、归巢内切酶或重组酶进行移动。这些酶通常通过蛋白质-DNA相互作用识别DNA，可以根据其目标序列特异性进行广泛分类，范围从位点特异性（例如Cre酶、Bxb1重组酶）到半随机（例如Tn5酶和PiggyBac转座酶）。

插入序列（IS）元件是最基本的自主型可移动遗传元件之一，在细菌和古细菌中广泛存在。许多已鉴定的IS元件使用一种自编码的转座酶，通过蛋白质-DNA相互作用识别末端反向重复序列（TIR）。根据其同源性、结构和转座机制，IS元件已被分为约28个家族，但它们可以根据编码转座酶的保守催化残基进行粗略分类，这些包括DDE、DEDD和HUH转座酶，以及较少见的丝氨酸转座酶或酪氨酸转座酶。

IS110家族元件是剪切-粘贴型可移动遗传元件，它们在转座机制中无痕地从基因组中切除自己，并生成环状形式。鉴于这一机制和生命周期，IS110转座酶更准确地可被描述为重组酶。虽然在其他IS家族中也发现了环状中间体，但IS110是唯一使用DEDD催化结构域的重组酶家族。IS110元件通常缺乏TIR，似乎以序列特异性的方式整合，通常针对微生物基因组中的重复序列。尽管IS110元件的DNA识别和重组机制尚不清楚，但之前的研究表明，位于重组酶ORF两侧的非编码区控制着重组酶的表达。

该研究显示，IS110编码一个重组酶和一个非编码的桥RNA（bridge RNA），桥RNA能够特异性地与编码的重组酶结合。这种桥RNA包含两个内部环状结构，编码核苷酸序列，能够与目标DNA和供体DNA（即IS110元件本身）配对。该研究进一步证明，靶向结合环和供体结合环可以独立地重编程，以指导两个DNA分子之间的特定序列重组。

这种模块化特性使DNA能够插入到基因组目标位点，并能够进行可编程的DNA切除和逆转录。IS110桥重组系统将核酸引导系统的多样性扩展到了CRISPR和RNAi之外，提供了一种统一的机制，用于执行三种基本的DNA重排操作 插入、删除和倒位，这些操作对于基因组设计至关重要。

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