「寻祖」Cas9和Cas12，张锋团队揭示一类极具潜力的新型基因编辑工具

张锋团队再发文，于周四发表在 Science。

张锋领导的研究小组发现了一类新的转座子编码的 RNA 向导 DNA 核酸酶，并将之命名为 “OMEGA（Obligate Mobile Element Guided Activity）”。研究人员称这种酶可以用于人类细胞的基因组编辑，在生物技术方面潜力巨大。

研究人员在论文中写到，IscB 蛋白是由 IS200/IS605 转座子超家族一个独特子集编码的推定核酸酶，可能是 Cas9 的祖先。通过系统发育分析、RNA-seq 和相关生化实验，他们重建了来自 IS200/IS605 转座子的 CRISPR-Cas9 系统的进化过程，发现 IscB 利用单个非编码 RNA 来进行 RNA 引导的双链 DNA 切割。

IscB 约有 400 个氨基酸长，其结构与 Cas9 相似，包含一个 RuvC 核酸内切酶结构域和一个 HNH 核酸内切酶结构域。研究人员全面搜索了所有含有 HNH 或 RuvC 核酸内切酶结构域的蛋白质，他们最后只发现了 Cas9 和 IscB。

图 | Cas9 结构

基于此前的间隔序列前体临近基序 (protospacer adjacent motif，PAM) 试验，他们进一步观察到 CRISPR 相关的 IscB 是可重编程的 RNA 引导的核酸酶。另一个实验表明，IscB 至少有一次在功能上与 CRISPR 有关，而且可能在其他情况下也有关联，这表明 IscB 系统更普遍地共享一个核心祖先 ncRNA 基因，该基因易于进化为 CRISPR 阵列或单独的 tracrRNA。

此外，在研究 IscB、Cas9 和其他同源蛋白之间的进化关系的同时，他们检测到了另一组较短的 IscB 同源物，长约 350 个氨基酸，他们将这些蛋白质命名为 IsrB。另外还有一个蛋白 IshB，大约 180 个氨基酸大小。

在研究这些蛋白质之间的关系时，他们发现 IsrB、 IscB 和 Cas9 形成了不同的分支，这表明每一个核酸酶都起源于一个独特的进化事件。

该团队能识别出两组不同的 Cas9：第一个是一种新的亚型 II-D，长约 700 个氨基酸；另一个是 II-C 的一个重要分支，其中包括与 TnpA 相关的特别大的 Cas9s (超过 1700 个氨基酸)。

作者总结道：“通过对 Cas9 进化的探索，我们发现了可编程 RNA 引导的三种高度丰富但以前未定性的转座子编码核酸酶的机制: IscB、 IsrB 和 TnpB，我们统称它们为 OMEGA…… 因为移动元素的定位和移动很可能决定了它们的向导的身份。”

“虽然该系统的生物学功能尚不清楚，但有几种假设与现有证据相符，包括在促进 TnpA 催化、RNA 引导转换或作为毒素方面的作用。”

此外，研究人员似乎还找到了 Cas12 的祖先 ——IS200/IS605 转座子超家族中包含编码 TnpB 的蛋白。

他们认为，TnpB 家族远比 IscB 家族丰富和多样化，TnpB 可能代表了同时存在于原核生物和真核生物中的 RNA 引导机制的广泛多样性。

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