两篇Nature公布重要突破：新一代可编程的基因编辑系统

　　

这是基因工程的一次重要飞跃，来自Arc研究所的一组研究人员发现了桥接重组酶机制（bridge recombinase mechanism，生物通注），这是一种精确而强大的工具，可以以可编程的方式重组和重新排列DNA。

今天发表在《自然》杂志上的这项研究报告了研究人员发现的第一个DNA重组酶，该酶使用一种非编码RNA对目标和供体DNA分子进行序列特异性选择。这种桥接RNA（bridge RNA）是可编程的，允许用户指定任何所需的基因组靶序列和插入的任何供体DNA分子。

“桥接RNA系统是一种全新的生物编程机制，桥式重组可以通过特定序列的插入、切除、反转等方式普遍修改遗传物质，使活基因组成为超越CRISPR的文字处理器。”该研究的资深作者、Arc研究所核心研究员、加州大学伯克利分校生物工程助理教授Patrick Hsu说。

Arc资深科学家Matthew Durrant和加州大学伯克利分校生物工程研究生Nick Perry是这一发现的主要作者。这项研究是与斯坦福大学生物化学助理教授Silvana Konermann和东京大学结构生物学教授Hiroshi Nishimasu的实验室合作完成的。

可编程的RNA

桥接重组系统源于插入序列110 (IS110)元件，这是无数类型的转座元件中的一种，或称为“跳跃基因”，可以在微生物基因组内部和之间剪切和粘贴自己。转座因子存在于所有生命形式中，为了生存，它们已经进化成专业的DNA操作机器。IS110元素非常简单，仅由一个编码重组酶的基因和两侧的DNA片段组成，到目前为止，这些DNA片段仍然是一个谜。

Hsu实验室发现，当IS110从基因组中切除自身时，非编码DNA末端连接在一起，产生一个RNA分子——桥接RNA——折叠成两个环。一个环与IS110元件本身结合，而另一个环与将插入元件的目标DNA结合。桥接RNA是双特异性引导分子的第一个例子，通过碱基配对相互作用指定靶DNA和供体DNA的序列。

桥接RNA的每个环都是独立可编程的，允许研究人员混合和匹配任何感兴趣的目标和供体DNA序列。这意味着该系统可以远远超出其插入IS110元素本身的自然作用，而可以将任何理想的遗传货物(如有缺陷的致病基因的功能拷贝)插入到任何基因组位置。在这项工作中，该团队证明了所需基因在大肠杆菌中的插入效率超过60%，对正确基因组位置的特异性超过94%。

Nick Perry说:“这些可编程的桥接RNA将IS110与其他已知的重组酶区分开来，后者缺乏RNA成分，无法编程。就好像桥接RNA是一个通用电源适配器，使IS110与任何插座兼容。”

Hsu实验室的发现得到了他们与东京大学Hiroshi Nishimasu博士实验室合作的补充，该研究结果也发表在今天的《自然》杂志上。Nishimasu实验室使用低温电子显微镜确定了与靶DNA和供体DNA结合的重组酶桥RNA复合物的分子结构，并依次经历了重组过程的关键步骤。

随着进一步的探索和发展，桥接机制有望迎来第三代RNA引导系统，超越CRISPR和RNA干扰(RNAi)的DNA和RNA切割机制，为可编程DNA重排提供统一的机制。对于哺乳动物基因组设计桥接重组系统的进一步发展至关重要，桥接重组酶连接两个DNA链而不释放切割的DNA片段——避免了当前最先进的基因组编辑技术的一个关键限制。

“桥接重组机制解决了其他基因组编辑方法面临的一些最根本的挑战，”研究联合负责人Durrant说。“以编程方式重新排列任意两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。”