Nature：新研究发现桥接重组酶机制，有望开发下一代可编程基因组设计系统

来源：100医药网 2024-07-17 13:17

研究发现了一种DNA重组酶，这种酶利用非编码RNA对目标DNA分子和供体DNA分子进行序列特异性选择，允许用户确定任何所需的基因组目标序列和任何要插入的供体 DNA 分子。

在一项新的研究中，来自加州大学伯克利分校、Arc研究所、斯坦福大学医学院和东京大学的研究人员发现了桥接重组酶机制（bridge recombinase mechanism），这是一种以可编程方式重组和重排 DNA 的精确而强大的工具，也是基因工程领域的一次飞跃。相关研究结果发表在2024年6月27日的Nature期刊上，论文标题为 Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA 。

这些作者发现了一种DNA重组酶，这种酶利用非编码RNA对目标DNA分子和供体DNA分子进行序列特异性选择。这种桥接 RNA 是可编程的，允许用户确定任何所需的基因组目标序列和任何要插入的供体 DNA 分子。

论文通讯作者、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， 这种桥接RNA 系统是一种全新的生物编程机制。桥接重组（bridge recombination）可以通过序列特异性插入、切除、倒位等方式修饰遗传物质，从而实现超越CRISPR的活体基因组文字处理器。

论文第一作者为Arc研究所资深科学家 Matthew Durrant 博士和加州大学伯克利分校生物工程研究生 Nicholas Perry。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 博士和东京大学结构生物学教授 Hiroshi Nishimasu 博士的实验室合作完成的。

可编程 RNA

这种桥接重组系统源于插入序列 110（insertion sequence 110, IS110）元件，它是无数种转座元件,也称为跳跃基因中的一种，可在微生物基因组内部或之间进行剪切和粘贴。转座元件遍布所有生命形式，为了生存，它们已经进化成专业的 DNA 操作机器。IS110元件非常简约，仅由一个编码重组酶的基因和侧翼DNA片段组成，而侧翼DNA片段的作用在此之前一直是个谜。

Hsu实验室发现，当 将IS110从基因组中切除时，非编码 DNA 的末端会连接在一起，产生一个折叠成两个环的 RNA 分子 桥接 RNA（bridge RNA）。其中的一个环与 IS110 元本身结合，而另一个环则与插入 IS110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，它通过碱基配对相互作用确定目标 DNA 和供体 DNA 的序列。

桥接 RNA 的每个环都是独立可编程的，从而允许科学家们混合和匹配任何感兴趣的目标 DNA 和供体 DNA 序列。这意味着该系统可以远远超出它插入 IS110 元件本身的天然作用，能够将任何理想的基因货物（如有缺陷的致病基因的一个功能性拷贝）插入到任何基因组位置。在这项新的研究中，这些作者证实在大肠杆菌中插入所需基因的效率超过 60%，对正确基因组位置的特异性超过 94%。

Perry说， 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，无法进行编程。就好像桥接 RNA 是一个通用电源适配器，能让 IS110 与任何插座兼容。

IS621突触复合体结构。图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07570-2

与此同时，Hsu 实验室与东京大学 Hiroshi Nishimasu 博士实验室在另一项新的研究（Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07570-2）中补充了这些研究结果。Nishimasu 实验室利用低温电镜确定了与目标 DNA 和供体 DNA 结合的重组酶-桥接RNA 复合物的分子结构，并依次确定了重组过程的关键步骤。

随着进一步的探索和发展，这种桥接机制有望开创除CRISPR 和 RNA 干扰（RNAi）的 DNA 和 RNA 切割机制之外的第三代 RNA 引导系统，为可编程 DNA 重排提供统一的机制。对进一步开发实现哺乳动物基因组设计的桥接重组系统至关重要的是，这种桥接重组酶能连接两条DNA链，而不释放切割的DNA片段，这规避了目前最先进的基因组编辑技术的一个关键局限。

Durrant说， 这种桥接重组机制解决了其他基因组编辑方法所面临的一些最基本的挑战。可编程地重新排列任意两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。 （100yiyao.com）

参考资料：

Matthew G. Durrant et al. . Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07552-4.

Masahiro Hiraizumi et al. . Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07570-2.

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