一種古老的RNA引導系統可能簡化基因編輯療法的傳遞 | 麻省理工學院新聞

科學家發現新型基因編輯工具

麻省理工學院 (MIT) 的麥戈文腦研究所和博德研究所的科學家們，透過對自然多樣性的廣泛搜尋，發現了古老的系統，這些系統有潛力擴展基因編輯工具的選擇。

這些系統被研究人員稱為TIGR（串聯間隔引導RNA）系統，利用RNA引導它們到達DNA的特定位置。TIGR系統可以重新編程，以針對任何感興趣的DNA序列，並且它們具有獨特的功能模組，可以作用於目標DNA。與其他RNA引導系統（如CRISPR）相比，TIGR系統非常緊湊，這在治療應用中是一個重要的優勢。

這些發現於2月27日在線上發表在《科學》期刊上。

麻省理工學院神經科學教授張鋒表示：「這是一個非常多功能的RNA引導系統，擁有許多不同的功能。」張教授的團隊發現的TIGR相關（Tas）蛋白質具有一個特徵性的RNA結合部分，這部分與RNA引導結合，指引它到達基因組中的特定位置。有些蛋白質可以在該位置切割DNA，利用蛋白質的相鄰DNA切割部分。這種模組化特性可以促進工具的開發，讓研究人員能夠將有用的新特徵替換到天然的Tas蛋白中。

張教授說：「大自然真是不可思議，它擁有巨大的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以尋找新的生物機制，並利用它們來操控生物過程。」在此之前，張教授的團隊將細菌的CRISPR系統改編為基因編輯工具，徹底改變了現代生物學。他們的團隊還發現了各種可編程的蛋白質，這些蛋白質不僅來自CRISPR系統，也來自其他來源。

在他們的新研究中，團隊開始專注於CRISPR-Cas9蛋白質的一個結構特徵，這個特徵能夠與酶的RNA引導結合。這是使Cas9成為強大工具的關鍵特徵之一。張教授解釋說：「因為是RNA引導的，所以重新編程相對容易，因為我們知道RNA是如何與其他DNA或RNA結合的。」他的團隊搜尋了數億種已知或預測結構的生物蛋白質，尋找任何共享相似結構的蛋白質。為了找到更遠相關的蛋白質，他們使用了一種迭代過程：從Cas9開始，他們識別出一種名為IS110的蛋白質，之前已有研究顯示它能與RNA結合。然後，他們專注於IS110的結構特徵，以便進行RNA結合，並重複他們的搜尋。

在這個階段，搜尋發現了許多遠相關的蛋白質，因此團隊轉向人工智慧來理解這個名單。張教授的實驗室的計算生物學家吉爾赫姆·福爾解釋說：「當你進行迭代的深度挖掘時，結果可能會非常多樣，以至於使用標準的系統發生學方法來分析它們變得困難。」通過使用大型蛋白質語言模型，團隊能夠根據它們的進化關係將找到的蛋白質分組。其中一組與其他組分開，這些成員特別引人注目，因為它們是由基因編碼的，這些基因具有規則間隔的重複序列，類似於CRISPR系統的一個重要組成部分。這些就是TIGR-Tas系統。

張教授的團隊發現了超過20,000種不同的Tas蛋白質，主要存在於感染細菌的病毒中。每個基因的重複區域內的序列——即其TIGR陣列——編碼了一個與蛋白質的RNA結合部分互動的RNA引導。在某些情況下，RNA結合區域與蛋白質的DNA切割部分相鄰。其他則似乎與其他蛋白質結合，這表明它們可能有助於將這些蛋白質引導到DNA目標。

張教授和他的團隊對數十種Tas蛋白質進行了實驗，證明其中一些可以被編程以在人體細胞中對DNA進行精確切割。當他們考慮將TIGR-Tas系統發展為可編程工具時，研究人員對這些工具的靈活性和精確性感到鼓舞。

他們指出，CRISPR系統只能針對由稱為PAM（原位鄰接基序）的短序列包圍的DNA片段。相比之下，TIGR Tas蛋白質沒有這種要求。科學顧問瑞安農·麥克雷表示：「這意味著理論上，基因組中的任何位置都應該可以成為目標。」團隊的實驗還顯示，TIGR系統具有福爾所稱的「雙引導系統」，能夠與DNA雙螺旋的兩條鏈互動，以精確鎖定目標序列，這應該能確保它們僅在RNA引導指引的地方發揮作用。此外，Tas蛋白質的體積緊湊，平均僅為Cas9的四分之一，這使得它們更容易傳遞，這可能克服基因編輯工具在治療應用中的主要障礙。

對於他們的發現感到興奮的張教授團隊，現在正在研究TIGR系統在病毒中的自然角色，以及如何將其適應於研究或治療。他們已經確定了在人體細胞中有效的Tas蛋白質的分子結構，並將利用這些信息來指導他們提高效率的努力。此外，他們注意到TIGR-Tas系統與人體細胞中的某些RNA處理蛋白之間的聯繫。張教授表示：「我認為還有更多的東西可以研究，了解這些關係可能有助於我們更好地理解這些系統在人體中的使用。」

這項工作得到了海倫·海惠特尼基金會、霍華德·休斯醫學研究所、K. Lisa Yang和Hock E. Tan分子治療中心、博德研究所可編程治療捐贈者、佩爾辛廣場基金會、威廉·阿克曼、內里·奧克斯曼、菲利普斯家族、J.和P.波伊特拉斯以及BT慈善基金會的支持。