中國日報北京6月30日電2023年6月29日，中國科學(xué)院動物研究所/北京干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)研究院王皓毅研究員、項光海博士和中國科學(xué)動物研究所張勇研究員團(tuán)隊合作在NatureBiotechnology雜志在線發(fā)表題為EvolutionaryminingandfunctionalcharacterizationofTnpBnucleasesidentifyefficientminiaturegenomeeditors研究論文，報道了關(guān)于TnpB基因編輯系統(tǒng)開發(fā)的研究進(jìn)展。
基因編輯技術(shù)（Genomeediting）可謂近些年生命科學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一。該技術(shù)可實現(xiàn)基因組特定位點的精確修飾，能夠在目標(biāo)基因位點插入、缺失或替換DNA序列。因此，基因編輯技術(shù)迅速成為生物學(xué)研究通用的核心技術(shù)，方便了科研探索；更重要的是，該技術(shù)還可以直接應(yīng)用于遺傳病的治療、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)育種改造等方面，成為保障人們生命健康和改善生活質(zhì)量的重要工具。
基因編輯工具最核心的關(guān)鍵是一個可以人為設(shè)計使其定位到基因組上特定目標(biāo)位點的蛋白，然后這個蛋白可以通過不同的效應(yīng)模塊（如核酸酶用來剪切DNA，脫氨酶用來實現(xiàn)單堿基改變，逆轉(zhuǎn)錄酶是用來實現(xiàn)小片段DNA的插入等）來實現(xiàn)在目標(biāo)基因位點的特定DNA序列改變。
當(dāng)前，最常用的CRISPR-Cas基因編輯系統(tǒng)Cas9和Cas12已經(jīng)較為成熟；在這些系統(tǒng)中，Cas蛋白在特定非編碼RNA的引導(dǎo)下識別基因組中的目標(biāo)位點，進(jìn)而發(fā)揮核酸酶靶向剪切DNA的功能。然而，這些Cas蛋白大都超過1000個氨基酸，超出了基因治療遞送常用載體AAV（Adeno-associatedvirus）的承載能力，使得遞送它們進(jìn)入目的細(xì)胞變得很困難。Cas蛋白通過融合脫氨酶或擬轉(zhuǎn)錄酶可以成為更為精確的堿基編輯和引導(dǎo)編輯工具，但融合蛋白尺寸更大，其有效表達(dá)和遞送更為困難。最新研究進(jìn)展發(fā)現(xiàn)Cas12核酸酶的祖先TnpB蛋白尺寸更小，且同樣能在非編碼RNA（omegaRNA或reRNA）引導(dǎo)下切割DNA，具有和CRISPR-Cas系統(tǒng)相似的工作機制。因此，TnpB有望被開發(fā)為新的微型基因編輯工具，解決實際應(yīng)用中因蛋白過大而遞送困難的問題。不僅如此，TnpB在目前已知的基因組存在中存在超過百萬份拷貝，是一個尚未被開發(fā)的巨大寶庫。篩選具有靶向編輯活性的TnpB蛋白，無疑將推進(jìn)基因編輯工具的改良和應(yīng)用。
中國科學(xué)家們的這項研究創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)TnpB系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件和信息，TnpB蛋白、reRNA和TAM（分別相當(dāng)于CRISPR-Cas系統(tǒng)的Cas9蛋白、gRNA和PAM），可以通過生物信息分析從基因組序列中直接預(yù)測獲得，從而實現(xiàn)了基因組中完整基因編輯系統(tǒng)的精確識別。該工作隨后對reRNA骨架以及影響TnpB編輯器活性的多方面因素進(jìn)行了全面分析，建立了適用于TnpB編輯器的大規(guī)模注釋預(yù)測和篩選體系?；谠擉w系，該研究進(jìn)一步從原核基因組中挖掘到了迄今發(fā)現(xiàn)的最小的RNA介導(dǎo)的基因編輯工具ISAam1（369個氨基酸）和ISYmu1（382個氨基酸）。其極小的蛋白尺寸不僅能夠適配不同的遞送平臺，而且在與脫氨酶、逆轉(zhuǎn)錄酶等衍生功能模塊融合后仍然較小，可以利用AAV遞送。這將有力推動在體基因治療的發(fā)展，有望為基因缺陷導(dǎo)致的疾病，如TTR相關(guān)淀粉樣變性病、β地中海貧血及較常見的高膽固醇病等提供更為有效的治療新方案。
另外值得一提的是，本研究發(fā)現(xiàn)的新型基因編輯工具已申請國際專利，有助于我國發(fā)展基于基因編輯底層工具的相關(guān)產(chǎn)業(yè)。更為重要的是，本研究為未來針對基因組數(shù)據(jù)中數(shù)以百萬計的TnpB位點的高通量挖掘提供了高效通用的平臺，后續(xù)基于這一平臺的進(jìn)一步挖掘?qū)l(fā)現(xiàn)更多、更好的基因編輯工具，服務(wù)于全人類的健康與生活。
（來源：中國日報2023年6月30日責(zé)任編輯：高琳琳）
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