前沿 | 中国科学家发现最小的RNA介导基因编辑工具,为基因治疗带来新希望

2023-06-30 11:06:58 10

中国日报北京6月30日电 2023年6月29日,中国科学院动物研究所/北京干细胞与再生医学研究院王皓毅研究员、项光海博士和中国科学动物研究所张勇研究员团队合作在 Nature Biotechnology 杂志在线发表题为Evolutionary mining and functional characterization of TnpB nucleases identify efficient miniature genome editors研究论文,报道了关于TnpB基因编辑系统开发的研究进展。

基因编辑技术(Genome editing)可谓近些年生命科学领域最重要的发现之一。该技术可实现基因组特定位点的精确修饰,能够在目标基因位点插入、缺失或替换 DNA 序列。因此,基因编辑技术迅速成为生物学研究通用的核心技术,方便了科研探索;更重要的是,该技术还可以直接应用于遗传病的治疗、农业、畜牧业育种改造等方面,成为保障人们生命健康和改善生活质量的重要工具。

基因编辑工具最核心的关键是一个可以人为设计使其定位到基因组上特定目标位点的蛋白,然后这个蛋白可以通过不同的效应模块(如核酸酶用来剪切DNA,脱氨酶用来实现单碱基改变,逆转录酶是用来实现小片段DNA的插入等)来实现在目标基因位点的特定DNA序列改变。

当前,最常用的CRISPR-Cas基因编辑系统Cas9和Cas12已经较为成熟;在这些系统中,Cas蛋白在特定非编码RNA的引导下识别基因组中的目标位点,进而发挥核酸酶靶向剪切DNA的功能。然而,这些 Cas 蛋白大都超过1000个氨基酸,超出了基因治疗递送常用载体 AAV(Adeno-associated virus)的承载能力,使得递送它们进入目的细胞变得很困难。Cas蛋白通过融合脱氨酶或拟转录酶可以成为更为精确的碱基编辑和引导编辑工具,但融合蛋白尺寸更大,其有效表达和递送更为困难。最新研究进展发现 Cas12 核酸酶的祖先 TnpB 蛋白尺寸更小,且同样能在非编码 RNA(omegaRNA 或 reRNA)引导下切割 DNA,具有和 CRISPR-Cas 系统相似的工作机制。因此,TnpB有望被开发为新的微型基因编辑工具,解决实际应用中因蛋白过大而递送困难的问题。不仅如此,TnpB在目前已知的基因组存在中存在超过百万份拷贝,是一个尚未被开发的巨大宝库。筛选具有靶向编辑活性的 TnpB 蛋白,无疑将推进基因编辑工具的改良和应用。

中国科学家们的这项研究创新性地发现 TnpB系统中的关键元件和信息,TnpB蛋白、reRNA和TAM(分别相当于CRISPR-Cas系统的Cas9蛋白、gRNA和PAM),可以通过生物信息分析从基因组序列中直接预测获得,从而实现了基因组中完整基因编辑系统的精确识别。该工作随后对 reRNA 骨架以及影响 TnpB 编辑器活性的多方面因素进行了全面分析,建立了适用于 TnpB 编辑器的大规模注释预测和筛选体系。基于该体系,该研究进一步从原核基因组中挖掘到了迄今发现的最小的 RNA 介导的基因编辑工具 ISAam1(369个氨基酸)和 ISYmu1(382个氨基酸)。其极小的蛋白尺寸不仅能够适配不同的递送平台,而且在与脱氨酶、逆转录酶等衍生功能模块融合后仍然较小,可以利用 AAV 递送。这将有力推动在体基因治疗的发展,有望为基因缺陷导致的疾病,如TTR相关淀粉样变性病、β地中海贫血及较常见的高胆固醇病等提供更为有效的治疗新方案。

另外值得一提的是,本研究发现的新型基因编辑工具已申请国际专利,有助于我国发展基于基因编辑底层工具的相关产业。更为重要的是,本研究为未来针对基因组数据中数以百万计的TnpB位点的高通量挖掘提供了高效通用的平台,后续基于这一平台的进一步挖掘将发现更多、更好的基因编辑工具,服务于全人类的健康与生活。(来源:中国日报网)