一种古老的RNA引导系统可以简化基因编辑疗法的递送

对自然多样性的广泛探索促使麻省理工学院麦戈文研究所、麻省理工大学博德研究所和哈佛大学的科学家发现了具有扩展基因组编辑工具箱潜力的古代系统。这些系统，研究人员称之为TIGR（串联间隔引导RNA）系统，使用RNA引导它们到达DNA上的特定位点

TIGR系统可以重新编程以靶向任何感兴趣的DNA序列，并且它们具有可以作用于靶向DNA的不同功能模块。除了模块化之外，与CRISPR等其他RNA引导系统相比，TIGR非常紧凑，这是在治疗环境中传递它的主要优势

这些发现发表在《科学》杂志上

“这是一个非常通用的RNA引导系统，具有许多不同的功能，”领导这项研究的麻省理工学院James和Patricia Poitras神经科学教授Feng Zhang说。张的团队发现的TIGR相关（Tas）蛋白共享一个特征性的RNA结合成分，该成分与一个RNA向导相互作用，该向导将其引导到基因组中的特定位点。一些人使用蛋白质的相邻DNA切割片段在该位点切割DNA。这种模块化可以促进工具开发，使研究人员能够将有用的新特征转换为天然的Tas蛋白

“大自然真是令人难以置信，”张说，他也是麦戈文研究所和霍华德·休斯医学研究所的研究员，博德研究所的核心成员，麻省理工学院脑与认知科学和生物工程教授，以及麻省理工理工学院K.Lisa Yang和Hock E.Tan分子治疗中心的联合主任

“它具有巨大的多样性，我们一直在探索这种自然多样性，以发现新的生物机制，并利用它们进行不同的应用来操纵生物过程，”他说

此前，张的团队已经将细菌CRISPR系统改造成基因编辑工具，从而改变了现代生物学。他的团队还发现了来自CRISPR系统和其他系统的各种可编程蛋白质

在他们的新工作中，为了找到新的可编程系统，研究小组首先将注意力集中在与酶的RNA向导结合的CRISPR-Cas9蛋白的结构特征上。这是使Cas9成为如此强大的工具的一个关键特征

张解释说：“RNA引导使重新编程相对容易，因为我们知道RNA是如何与其他DNA或其他RNA结合的。”。他的团队搜索了数亿种具有已知或预测结构的生物蛋白质，寻找任何具有相似结构域的蛋白质。为了找到更远相关的蛋白质，他们使用了一个迭代过程：从Cas9中，他们鉴定出一种名为IS110的蛋白质，该蛋白质之前已被其他人证明可以结合RNA。然后，他们将注意力集中在IS110的结构特征上，使其能够结合RNA，并重复他们的搜索

在这一点上，搜索发现了如此多的远亲蛋白质，以至于研究小组转向人工智能来理解这份清单

张实验室的计算生物学家Guilhem Faure解释说：“当你进行迭代式深度挖掘时，得到的结果可能会非常多样化，以至于很难使用依赖于保守序列的标准系统发育方法进行分析。”。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

通过蛋白质大语言模型，研究小组能够根据可能的进化关系将他们发现的蛋白质分组。一个小组与其他小组不同，其成员特别有趣，因为它们是由具有规则间隔的重复序列的基因编码的，让人联想到CRISPR系统的一个重要组成部分。这些是TIGR-Tas系统

张的团队发现了超过20000种不同的Tas蛋白，主要存在于感染病毒的细菌中。每个基因的重复区域内的序列——其TIGR阵列——编码一个与蛋白质的RNA结合部分相互作用的RNA向导。在某些情况下，RNA结合区与蛋白质的DNA切割部分相邻。其他一些似乎与其他蛋白质结合，这表明它们可能有助于将这些蛋白质引导到DNA靶点

张和他的团队对数十种Tas蛋白进行了实验，证明其中一些可以被编程以对人类细胞中的DNA进行靶向切割。当他们考虑将TIGR-Tas系统开发成可编程工具时，研究人员对这些工具特别灵活和精确的功能感到鼓舞

他们指出，CRISPR系统只能针对DNA片段，这些片段两侧有称为PAM（原间隔区邻近基序）的短基序。相比之下，TIGR-Tas蛋白没有这样的要求

科学顾问Rhiannon Macrae说：“这意味着理论上，基因组中的任何位点都应该是可靶向的。”

该团队的实验还表明，TIGR系统具有Faure所说的“双导向系统”，与DNA双螺旋的两条链相互作用，以定位它们的靶序列，这应该确保它们只在RNA导向的地方起作用。更重要的是，Tas蛋白结构紧凑，平均大小是Cas9的四分之一，这使得它们更容易递送，这可以克服基因编辑工具治疗部署的主要障碍

张的团队对他们的发现感到兴奋，现在正在研究TIGR系统在病毒中的自然作用，以及如何将其应用于研究或治疗。他们已经确定了他们发现在人类细胞中起作用的一种Tas蛋白的分子结构，并将利用这些信息来指导他们提高效率。此外，他们还注意到TIGR-Tas系统与人类细胞中某些RNA加工蛋白之间的联系

张说：“我认为，就其中一些关系可能是什么而言，还有更多的研究要做，这可能有助于我们更好地了解这些系统是如何在人类中使用的。” More information: Guilhem Faure et al, TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adv9789

Journal information: Science