真核CRISPR-Cas同源物Fanzor2的结构显示了基因编辑的前景

圣裘德儿童研究医院的科学家揭示了Fanzor2与细菌祖先的差异如何使其成为未来基因组工程努力的有用工具。

　　

在原核生物CRISPR-Cas9等基因组工程工具的应用推动下，一场生物医学革命正在进行中。新的基因组编辑系统继续在不同的生物体中被发现，增加了各种治疗应用的潜在工具箱。圣裘德儿童研究医院的科学家们研究了真核基因组编辑蛋白Fanzors的进化历程。利用低温电子显微镜(cryo-EM)，研究人员深入了解了Fanzor2与其他rna引导核酸酶的结构差异，为未来的蛋白质工程工作提出了一个框架。研究结果发表在今天的《自然结构与分子生物学》杂志上。

获得2020年诺贝尔化学奖的基因组编辑方法CRISPR-Cas9，改编自细菌用作防御机制的自然存在的基因组编辑系统。CRISPR-Cas系统可能起源于转座子，即从一个基因组位置移动到另一个基因组位置的DNA元素。最近，在细菌中发现了一个大型而古老的转座子相关蛋白家族，称为TnpB，被发现是多种CRISPR-Cas9和-Cas12亚型的功能前身，在这两个过程之间提供了一个进化桥梁。Fanzor蛋白家族由Fanzor1和Fanzor2组成，是真核生物和真核病毒中发现的TnpB的同源物。

圣裘德结构生物学系的Elizabeth Kellogg博士研究了Fanzor2的结构，绘制了这些系统如何进化的图表，为未来的基因组工程技术方法提供了关键的见解。

Fanzor的潜力在于它的结构-功能关系

凯洛格解释说:“由于发现TnpBs也是rna引导的核酸酶，就像CRISPR-Cas9一样，我们对它们的多样性非常感兴趣。”“它们在结构、形状和与之相关的rna方面有着巨大的变化。我们刚刚发现了TnpBs的各种生物学作用。”

TnpBs和Fanzors如此令人兴奋的一个关键因素是它们的相对大小——它们明显小于它们的Cas9和Cas12基因。就基因组工程而言，最小化蛋白质的大小可以提供更多的功能。通过Fanzor2与其天然RNA向导和DNA靶点相关的低温电镜结构，Kellogg拼凑出了RNA引导核酸酶的结构和功能之间的关系。这项工作还揭示了RNA在帮助构建Fanzor2活性位点中的作用不同于其他类别，这表明RNA和蛋白质在CRISPR核酸酶Cas12家族的一个单独的进化分支上共同进化。

凯洛格说:“这种蛋白质非常微小，但其结构表明，就它们如何与rna一起发挥作用而言，它们具有更大的可塑性。”“这暗示我们可以进一步缩小它的大小，但要理解这一点还有很多工作要做。”

凯洛格希望这种结构将成为下一代rna引导核酸酶工程新方法的启动平台。此外，考虑到家庭的多样性，很明显，知识带来力量。“这些复合体的结构多样性是我们完全不了解的，”她强调说。“这就是我认为它很重要的地方，不仅是为了理解使某些东西成为rna引导的核酸酶的功能限制，也是为了理解这些原理并在工程中利用它们。这正是我感兴趣的。”