张锋团队发文《Science》介绍一种简化基因编辑疗法的古老的RNA引导系统

可编程蛋白质结构紧凑，模块化，可以直接修饰人类细胞中的DNA。

　　

对自然多样性的广泛探索使麻省理工学院麦戈文脑研究所和Broad研究所的科学家们发现了古老的TIGR（串联间隔引导RNA）系统，这些系统有望扩展基因编辑工具箱。这些系统使用RNA引导它们到达DNA上的特定位置。TIGR系统可以被重新编程以靶向任何感兴趣的DNA序列，并且它们具有不同的功能模块，可以作用于靶向的DNA。与CRISPR等其他RNA引导系统相比，TIGR系统非常紧凑，这在治疗应用中是一个主要优势。这些发现于2月27日在线发表在《Science》杂志上。

“这是一个功能多样化的RNA引导系统。”领导这项研究的麻省理工学院神经科学教授Feng Zhang说。Zhang的团队发现的TIGR相关（Tas）蛋白具有一个特征性的RNA结合组分，该组分与RNA引导相互作用，将其引导至基因组中的特定位置。其中一些蛋白会在该位置切割DNA，利用蛋白的相邻DNA切割段。这种模块化特性可能有助于工具开发，允许研究人员将有用的特性整合到天然Tas蛋白中。

“自然是非常神奇的。”Zhang说，“它拥有巨大的多样性，我们一直在探索这种自然多样性，以发现新的生物机制，并将其应用于不同的应用中，以操纵生物过程。”此前，Zhang的团队将细菌CRISPR系统改编为基因编辑工具，彻底改变了现代生物学。他的团队还发现了多种可编程蛋白，包括CRISPR系统之外的蛋白。

在他们的新工作中，为了寻找新的可编程系统，团队首先聚焦于CRISPR-Cas9蛋白的一个结构特征，该特征使其能够结合RNA引导。这是使Cas9成为强大工具的关键特征：“RNA引导使其相对容易重新编程，因为我们知道RNA如何与其他DNA或RNA结合。”Zhang解释道。他的团队搜索了数亿个已知或预测结构的生物蛋白，寻找具有类似结构域的蛋白。为了找到更远亲缘关系的蛋白，他们采用迭代过程：从Cas9出发，他们发现了一种名为IS110的蛋白，该蛋白此前已被证明能够结合RNA。他们随后聚焦于IS110的RNA结合结构特征，并重复搜索。

此时，搜索结果中出现了如此多远亲缘关系的蛋白，以至于团队转向人工智能来梳理这份清单。“当你进行迭代深度挖掘时，结果可能如此多样，以至于难以使用依赖保守序列的标准系统发育方法进行分析。”Zhang实验室的计算生物学家Guilhem Faure解释道。通过使用蛋白质大语言模型，团队能够根据它们可能的进化关系将发现的蛋白分组。其中一个组脱颖而出，其成员特别引人注目，因为它们由具有规律间隔重复序列的基因编码，这些序列类似于CRISPR系统的必要组成部分。这些就是TIGR-Tas系统。

Zhang的团队发现了超过20,000种不同的Tas蛋白，主要存在于感染细菌的病毒中。每个基因的重复区域内的序列——其TIGR阵列——编码一个RNA引导，该引导与蛋白的RNA结合部分相互作用。在某些情况下，RNA结合区域与蛋白的DNA切割部分相邻。其他一些则似乎能够结合其他蛋白，这表明它们可能有助于将这些蛋白引导至DNA靶点。

Zhang及其团队对数十种Tas蛋白进行了实验，证明其中一些可以被编程以在人类细胞中对DNA进行靶向切割。在考虑将TIGR-Tas系统开发为可编程工具时，研究人员对其可能具有的灵活性和精确性充满信心。

他们指出，CRISPR系统只能被引导至两侧有短序列基序（PAM，原间隔相邻基序）的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白没有这样的要求。“这意味着理论上，基因组中的任何位点都可以被靶向。”科学顾问Rhiannon Macrae说。该团队的实验还表明，TIGR系统具有Faure所说的“双引导系统”，与DNA双螺旋的两条链相互作用以定位目标序列，这将确保它们仅在其RNA引导所指示的位置发挥作用。此外，Tas蛋白非常紧凑——平均为Cas9的四分之一大小——这使得它们更容易递送，从而克服了基因编辑工具治疗应用中的一个主要障碍。

对这一发现感到兴奋的Zhang团队目前正在研究TIGR系统在病毒中的天然作用，以及它们如何被改编用于研究或治疗。他们已经确定了一种在人类细胞中起作用的Tas蛋白的分子结构，并将利用这些信息指导其提高效率的努力。此外，他们还注意到TIGR-Tas系统与人类细胞中某些RNA处理蛋白之间的联系。“我认为在这些关系中还有更多值得研究的内容，它可能帮助我们更好地理解这些系统在人类中的应用。”Zhang说。