科学家发现下一代可编程基因组设计系统

在基因工程的一次飞跃中，Arc研究所的一组研究人员发现了桥重组酶机制，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

今天发表在《自然》杂志上的这项研究报告了他们发现的第一种DNA重组酶，该酶使用非编码RNA对靶和供体DNA分子进行序列特异性选择。这种桥RNA是可编程的，允许用户指定任何所需的基因组靶序列和任何要插入的供体DNA分子

该研究的高级作者、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徐说：“桥核糖核酸系统是一种全新的生物编程机制。桥重组可以通过序列特异性插入、切除、反转等方式普遍修饰遗传物质，从而为CRISPR之外的活基因组提供文字处理器。”。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和东京大学结构生物学教授Hiroshi Nishimasu的实验室合作开发的

Hsu实验室发现，当IS110从基因组中切出自己时，非编码的DNA末端结合在一起，产生一种RNA分子——桥接RNA——它可以折叠成两个环。一个环与IS110元件本身结合，而另一个环则与将插入元件的靶DNA结合。桥接RNA是双特异性引导分子的第一个例子，通过碱基配对相互作用指定靶DNA和供体DNA的序列

桥接RNA的每个环都是独立可编程的，使研究人员能够混合和匹配任何感兴趣的靶点和供体DNA序列。这意味着该系统可以远远超出其插入IS110元件本身的自然作用，而是能够将任何想要的基因货物——比如有缺陷的致病基因的功能拷贝——插入任何基因组位置。在这项工作中，该团队证明了所需基因在大肠杆菌中的插入效率超过60%，对正确的基因组位置的特异性超过94%

研究生Nick Perry说：“这些可编程桥RNA将IS110与其他已知的重组酶区分开来，后者缺乏RNA成分，无法编程。”。“就好像桥状RNA是一个通用的电源适配器，使IS110与任何插座兼容。”

徐实验室的发现得到了他们与东京大学西须浩博士实验室的合作的补充，该研究也于今天发表在《自然》杂志上。Nishimasu实验室使用冷冻电子显微镜来确定与靶DNA和供体DNA结合的重组酶桥RNA复合物的分子结构，依次进行重组过程的关键步骤

随着进一步的探索和发展，桥接机制有望迎来第三代RNA引导系统，超越CRISPR和RNA干扰（RNAi）的DNA和RNA切割机制，为可编程的DNA重排提供统一的机制。对于哺乳动物基因组设计桥梁重组系统的进一步发展至关重要，桥梁重组酶在不释放切割DNA片段的情况下连接两条DNA链，避开了当前最先进的基因组编辑技术的一个关键限制

“桥接重组机制解决了其他基因组编辑方法面临的一些最根本的挑战，”研究联合负责人达兰特说。“可编程地重新排列任何两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。”

其他合著者包括James Pai和Aditya Jangid（Arc研究所和加州大学伯克利分校）；Januka Athukorage、John McSpedon和April Pawluk（Arc Institute）；和平泉正弘（东京大学）