真核CRISPR-Cas同源物Fanzor2的結(jié)構(gòu)顯示了基因編輯的前景

在原核生物CRISPR-Cas9等基因組工程工具的應(yīng)用推動下，一場生物醫(yī)學(xué)革命正在進行中。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，為未來的蛋白質(zhì)工程工作提出了一個框架。研究結(jié)果發(fā)表在今天的《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)獎的基因組編輯方法CRISPR-Cas9，改編自細菌用作防御機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，即從一個基因組位置移動到另一個基因組位置的DNA元素。最近，在細菌中發(fā)現(xiàn)了一個大型而古老的轉(zhuǎn)座子相關(guān)蛋白家族，稱為TnpB，被發(fā)現(xiàn)是多種CRISPR-Cas9和-Cas12亞型的功能前身，在這兩個過程之間提供了一個進化橋梁。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)如何進化的圖表，為未來的基因組工程技術(shù)方法提供了關(guān)鍵的見解。

Fanzor的潛力在于它的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系

凱洛格解釋說:“由于發(fā)現(xiàn)TnpBs也是rna引導(dǎo)的核酸酶，就像CRISPR-Cas9一樣，我們對它們的多樣性非常感興趣。”“它們在結(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。”

TnpBs和Fanzors如此令人興奮的一個關(guān)鍵因素是它們的相對大小——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Fanzor2與其天然RNA向?qū)Ш虳NA靶點相關(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。這項工作還揭示了RNA在幫助構(gòu)建Fanzor2活性位點中的作用不同于其他類別，這表明RNA和蛋白質(zhì)在CRISPR核酸酶Cas12家族的一個單獨的進化分支上共同進化。

凱洛格說:“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。”“這暗示我們可以進一步縮小它的大小，但要理解這一點還有很多工作要做。”

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平臺。此外，考慮到家庭的多樣性，很明顯，知識帶來力量。“這些復(fù)合體的結(jié)構(gòu)多樣性是我們完全不了解的，”她強調(diào)說。“這就是我認為它很重要的地方，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。”

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