Tiny TnpB：新一代植物基因组编辑工具亮相

基因组编辑是我们这个时代最具变革性的科学突破之一。它使我们能够深入了解生命的密码，并进行精确的修改。想象一下，能够重写决定生物体几乎所有方面的遗传指令——它的外观、行为、与环境的相互作用以及其独特的特征。这就是基因组编辑的力量

我们使用基因组编辑工具来调整微生物、动物和植物的基因序列。我们的目标？培养所需的特征，消除不需要的特征。这项技术的影响已经遍及生物技术、人类治疗和农业，带来了快速的进步和解决方案

在基因组编辑中使用最广泛的蛋白质是Cas9和Cas12a。这些蛋白质就像遗传世界的剪刀，使我们能够切割和编辑DNA。然而，它们体积庞大，由1000-1350个氨基酸组成。高级编辑技术，如碱基编辑和素数编辑，需要将额外的蛋白质与Cas9和Cas12a融合，使它们更加笨重。这种体积对将这些蛋白质有效地传递到遗传物质所在的细胞中提出了挑战

但现在，我们有了一个令人兴奋的发展——一个有望克服这一局限性的微型替代品。在我们最近发表在《植物生物技术杂志》上的文章中，我们介绍了TnpB，这是一种更小但高效的下一代植物基因组编辑工具

TnpB蛋白是由RNA引导的转座子相关核酸酶。它们被认为是Cas12核酸酶的进化祖先。尽管TnpB在功能上与Cas12a相似，但它更紧凑，总氨基酸数在350-500之间。从长远来看，TnpB的大小是Cas9和Cas12a的三分之一。如果Cas9和Cas12a就像足球，那么TnpBs就像棒球

我们使用耐辐射奇球菌的TnpB核酸酶开发了一种超紧凑的基因组编辑器。这种细菌以其在极端环境中生存的能力和对辐射的显著抵抗力而闻名。我们的TnpB来源于D.radiodurans，只有408个氨基酸长

短RNA作为TnpB的向导，将其引导到靶DNA序列。由这种RNA指定，TnpB与靶标结合并切割两条DNA链。当断裂的末端被细胞重新密封时，DNA字母的插入或缺失可能会无意中发生。这些插入或缺失导致基因序列的改变

存在额外的特异性：靶序列必须与转座子相关基序（TAM）序列相邻。该TAM类似于Cas9和Cas12的PAM序列。对于D.radiodurans的TnpB，特异性TAM是TTGAT，它必须存在于靶序列的上游。从这个意义上说，TnpB可以访问Cas9无法到达的基因组位点

我们首先对TnpB蛋白的序列进行密码子优化，以开发用于植物系统的基因组编辑器。我们还优化了调控元件的组合，以产生足够的指导RNA，用于高效的植物基因组编辑。通过在水稻原生质体中测试四种不同版本的基因组编辑载体系统，我们确定了最有效的版本

水稻是单子叶植物，在单子叶植物中工作良好的系统在双子叶植物中可能表现不佳。因此，我们生成了双子叶特异性TnpB载体，并在拟南芥中成功进行了编辑。有趣的是，我们观察到，在水稻和拟南芥中，缺失大多发生在靶位点。这使得TnpB适合有效地破坏基因功能。TnpB现在可用于引入基因突变，以破坏不需要的基因，从而去除抗营养因子，提高营养含量，增强生物和非生物胁迫抗性等

虽然天然形式的TnpB充当可编程剪刀，但它也可以适应招募激活基因的因子。通过灭活其切割能力，我们开发了灭活的TnpB（dTnpB）。dTnpB保留了与引导RNA指定的靶DNA结合的能力。然后，我们将dTnpB与额外的货物蛋白融合，将其引导到靶基因，使这些基因更具活性。这种激活工具可以增强基因功能，为未来创造更好的作物铺平道路

同样，我们将另一种货物蛋白与dTnpB融合，开发了一种能够将一个DNA字母交换为另一个的工具。这种精确的工具将通过以单字母分辨率改变遗传密码来实现作物创新

我们正在利用这种微型基因组编辑器来创造产量提高、气候适应性增强的水稻植物。我们的研究强调，TnpB是一种用途广泛、前景广阔的植物基因组工程工具。我们预计植物生物学家、生物技术学家和育种者将采用TnpB用于各种作物

这个故事是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在其中报告他们发表的研究文章中的发现。访问此页面了解有关Science X Dialog以及如何参与的信息 More information: Subhasis Karmakar et al, A miniature alternative to Cas9 and Cas12: Transposon‐associated TnpB mediates targeted genome editing in plants, Plant Biotechnology Journal (2024). DOI: 10.1111/pbi.14416

Journal information: Plant Biotechnology Journal