圣裘德兒童研究醫(yī)院的科學(xué)家們揭示了Fanzor2與細(xì)菌祖先的差異如何使其成為未來(lái)基因組工程努力的有用工具。

在原核生物CRISPR-Cas9等基因組工程工具的應(yīng)用推動(dòng)下，一場(chǎng)生物醫(yī)學(xué)革命正在進(jìn)行。新的基因組編輯系統(tǒng)繼續(xù)在不同的生物體中被發(fā)現(xiàn)，增加了各種治療應(yīng)用的潛在工具箱。

圣裘德兒童研究醫(yī)院的科學(xué)家們研究了真核基因組編輯蛋白Fanzors的進(jìn)化歷程。

利用低溫電子顯微鏡(cryo-EM)，研究人員深入了解了Fanzor2與其他rna引導(dǎo)核酸酶的結(jié)構(gòu)差異，為未來(lái)的蛋白質(zhì)工程工作提出了一個(gè)框架。該研究結(jié)果發(fā)表在《自然結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)》雜志上。

獲得2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的基因組編輯方法CRISPR-Cas9，改編自細(xì)菌用作防御機(jī)制的自然存在的基因組編輯系統(tǒng)。CRISPR-Cas系統(tǒng)可能起源于轉(zhuǎn)座子，即從一個(gè)基因組位置移動(dòng)到另一個(gè)基因組位置的DNA元素。

最近，在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大型而古老的轉(zhuǎn)座子相關(guān)蛋白家族，稱(chēng)為T(mén)npB，被發(fā)現(xiàn)是多種CRISPR-Cas9和-Cas12亞型的功能前身，在這兩個(gè)過(guò)程之間提供了一個(gè)進(jìn)化橋梁。Fanzor蛋白家族由Fanzor1和Fanzor2組成，是真核生物和真核病毒中發(fā)現(xiàn)的TnpB的同源物。

圣裘德結(jié)構(gòu)生物學(xué)系的Elizabeth Kellogg博士研究了Fanzor2的結(jié)構(gòu)，繪制了這些系統(tǒng)如何進(jìn)化的圖表，為未來(lái)的基因組工程技術(shù)方法提供了關(guān)鍵的見(jiàn)解。

Fanzor的潛力在于它的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系

凱洛格解釋說(shuō):“由于發(fā)現(xiàn)TnpBs也是rna引導(dǎo)的核酸酶，就像CRISPR-Cas9一樣，我們對(duì)它們的多樣性非常感興趣?！薄八鼈?cè)诮Y(jié)構(gòu)、形狀和與之相關(guān)的rna方面有著巨大的變化。我們剛剛發(fā)現(xiàn)了TnpBs的各種生物學(xué)作用?！?/p>

TnpBs和Fanzors如此令人興奮的一個(gè)關(guān)鍵因素是它們的相對(duì)大小——它們明顯小于它們的Cas9和Cas12基因。就基因組工程而言，最小化蛋白質(zhì)的大小可以提供更多的功能。

通過(guò)Fanzor2與其天然RNA向?qū)Ш虳NA靶點(diǎn)相關(guān)的低溫電鏡結(jié)構(gòu)，Kellogg拼湊出了RNA引導(dǎo)核酸酶的結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系。這項(xiàng)工作還揭示了RNA在幫助構(gòu)建Fanzor2活性位點(diǎn)中的作用不同于其他類(lèi)別，這表明RNA和蛋白質(zhì)在CRISPR核酸酶Cas12家族的一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)化分支上共同進(jìn)化。

凱洛格說(shuō):“這種蛋白質(zhì)非常微小，但其結(jié)構(gòu)表明，就它們?nèi)绾闻crna一起發(fā)揮作用而言，它們具有更大的可塑性。”“這暗示我們可以進(jìn)一步縮小它的大小，但要理解這一點(diǎn)還有很多工作要做?！?/p>

凱洛格希望這種結(jié)構(gòu)將成為下一代rna引導(dǎo)核酸酶工程新方法的啟動(dòng)平臺(tái)。此外，考慮到家庭的多樣性，很明顯，知識(shí)帶來(lái)力量。

“這些復(fù)合體的結(jié)構(gòu)多樣性是我們完全不了解的，”她強(qiáng)調(diào)說(shuō)?！斑@就是我認(rèn)為它很重要的地方，不僅是為了理解使某些東西成為rna引導(dǎo)的核酸酶的功能限制，也是為了理解這些原理并在工程中利用它們。這正是我感興趣的?！?/p>