纽约——最近一项关于新型转座子编码rna引导核酸酶的研究表明，它们不仅可以用作生物技术工具，而且这种机制可以渗透到生命的所有领域。vwin德赢ac米兰合作
这篇论文本月早些时候出版的科学由布罗德研究所的张峰、美国国立卫生研究院的尤金·库宁和他们的同事所做的研究表明，IscB蛋白——它可能是rna引导的核酸内切酶Cas9的祖先——是具有重要意义的假定的核酸酶编码在不同的IS200/IS605转座子家族中．通过进化分析、RNA-seq和生化实验，他们从IS200/IS605转座子重建了CRISPR-Cas9系统的进化过程，结果表明，IscB利用一个单一的非编码RNA进行RNA引导的双链DNA切割。
研究人员还对TnpB的rna引导的核酸酶活性进行了实验，TnpB是另一种IS200/605转座子编码蛋白，可能是Cas12内切酶的祖先。总的来说，他们说，这项工作揭示了一种广泛存在的转座子编码的rna引导核酸酶，他们将其命名为OMEGA，意为专属移动元素引导活性。
重要的是，研究人员得出结论，这些核酸酶不仅可以用于基因组编辑等目的，而且还可以揭示对Cas9和Cas12进化的新见解。此外，他们说，OMEGA系统的广泛分布表明，rna引导机制在原核生物中的分布比以前认为的更广泛，甚至可能延伸到真核生物基因组中。
ISC蛋白是一组编码Cas9同源物的细菌和古细菌DNA转座子发表于2016年，由Koonin和他在NIH的同事在一项研究中发表细菌学期刊．
细菌基因组编码了许多Cas9的同源物，同源区域包括富含精氨酸的螺旋和插入到ruvc样核酸酶结构域(启动与导链RNA不互补的DNA链的裂解)的HNH核酸酶结构域(裂解与导链RNA互补的DNA链)。但研究人员在论文中写道，其中一些基因与cas基因或CRISPR没有关联。相反，他们发现某些Cas9同源体代表一组不同的非自主转座子，他们称之为ISC，用于Cas9样插入序列。
他们发现了许多不同的全长ISC转座子家族，并证明了它们的末端序列(特别是3'端)与IS605超家族转座子相似。他们的研究结果表明，ISC转座子是从IS605家族转座子进化而来的，而Cas9则是通过一个ISC转座子的固定而进化的。
在他们的新论文中，张和他的同事们将研究更进一步，发现IscB(大约400个氨基酸长)的结构与Cas9相似——它包含一个被桥螺旋插入的RuvC内切酶结构域和一个HNH内切酶结构域。当研究人员对含有一个HNH或一个分裂的RuvC内切酶结构域的蛋白质进行全面搜索时，他们发现Cas9和IscB是仅有的两个结构域都包含的蛋白质，这表明所有现存的Cas9都是从一个单一的祖先IscB进化而来的。
据Broad的研究人员和论文的共同第一作者Han altai - tran和Soumya Kannan说，他们从这项研究中收集到的知识最令人兴奋的应用之一是Cas9和Cas12大规模进化的潜力，学习如何设计蛋白质的支架以添加不同类型的功能域。
当他们研究IscB、Cas9和其他同源蛋白之间的进化关系时，他们检测到另一组较短的IscB同源蛋白，其长度约为350个氨基酸，也编码在IS200/605超家族转座子中。他们将这些蛋白质重新命名为IsrB，用于插入序列RuvC-like OrfB。最后，他们发现了一个更小(约180个氨基酸)的蛋白质家族，它只包含PLMP结构域和HNH结构域，而不包含RuvC结构域，他们将其命名为IshB，用于插入序列HNH-like OrfB。
Altae-Tran说:“我们看到的一个关键问题是，相对于Cas9, IscB和IsrB非常非常小，因此在一个层面上，它们提供了有关Cas9如何获得所有这些额外域的信息，从而使它成为现在这样。”“但你也可以想象相反的情况。并不是Cas9的所有功能都一定有用，您可以从它开始减法。人们已经开始考虑这样做了，但是进化已经在某个地方开始了。所以，你可以试着追溯到过去，了解这种类型的系统工作的最小域是什么。”
此外，他说，IsrB非常类似于IscB，除了它没有HNH结构域，使它成为一个nickase。这种类型的nickase可能对某些应用非常有用，了解一个结构域如何插入核酸酶也可以帮助研究人员了解如何逆转这一过程。
“如果我们有一个有两个结构域的核酸酶，我们能去掉它吗?”Altae-Tran提出。“另一方面，我们也可以理解如何在蛋白质中添加其他有用的结构域。所以除了HNH，你可以想象添加其他域。”
有趣的是，研究人员还能够识别出两组不同的cas9。第一种是一种被称为II-D的新亚型——一组相对较小的cas9基因，大约有700个氨基酸长，与任何其他已知的cas基因都不相关。第二种是II-C亚型的分支，包括与TnpA相关的异常大的cas9(超过1700个氨基酸)。
根据Altae-Tran的说法，小Cas9基因群是已知存在的最小的完整Cas9基因群。他还指出，较大的基因与is200样转座酶相关。虽然它们的功能还不完全清楚，但更大的系统拥有几个dna相互作用的基因。
“它们是否都在各种大型系统中共同发挥作用还不得而知，”他补充说。“但这是一个非常有趣的后续研究领域。”
事实上，研究人员提出了几个后续调查领域或基因组编辑或工程方面的新研究领域。
Kannan指出，新发现的Cas9系统可能与目前在基因组编辑应用中使用的Cas9核酸酶以及Cas12具有相同的用途，尽管还需要对它们在哺乳动物细胞中的活性进行更多的研究。然而，她补充说:“我们还表明TnpB具有抵押品活性，这与一些cas12和cas13类似。所以这可能会应用于核酸诊断和其他类型的检测技术。”
此外，由于小型Cas9系统体积小，在治疗应用方面可能比常用的SpCas9核酸酶更有用，而iscb也可以填补这一空缺，她说。
Kannan说:“我们还表明，用它们进行人类基因组编辑是可能的，而且它们实际上比II-D型cas9还小，可能只有它们的一半大。”“因此，它们也可能更适合成为传播载体。”
张说，IscB的小尺寸也改变了它的R-loop结构。在CRISPR系统中，CRISPR rna与入侵DNA上的匹配原间隔形成杂交，这导致了非互补链的位移。由此产生的R-loop产生了DNA降解的信号。
张说，IscB的r -环结构与Cas9的不同，它暴露了更多的DNA，这可能有利于需要r -环工程的应用，如素编辑。
Altae-Tran说，将不同的IS蛋白与不同的Cas核酸酶进行多路复用也有很大的潜力，以创建新的系统，该系统可能有各种各样的应用，尽管目前还不清楚。新的支架可以提供不同类型的切口或缺口，将它们多路复用也可以在同一个系统中提供不同的支架和多个r -loop。
“在结构生物学的新时代，以及预测更多类型系统的能力，理解这些支架的存在，了解它们是什么，可以帮助我们洞察[使用]新创建模方法可能在短期内，也就是从现在开始的几年内，创造出全新的rna导向系统。”
对于Kannan来说，这项研究中最令人兴奋的发现是rna引导机制存在于CRISPR之外，甚至可能超越原核生物，进入生命的每一个领域。
“这些IS200/IS605系统非常普遍。我们能够看到，rna引导机制不仅存在于人们已经发现的这些规范的例子之外，而且也存在于系统本身，非常丰富，”她说。“有了CRISPR，它对生物技术如此有用的东西是重新编程指南的能力。vwin德赢ac米兰合作我们相信，在执行不同类型的酶促反应或以不同方式与DNA和RNA相互作用的系统中发现这种类型的机制，将大大拓展这一领域。”