CRISPR-Cas起源:TnpB与IscB核酸酶的研究与应用进展

CRISPR-Cas系统是广泛存在于细菌和古菌中的防御系统。基于该系统开发的基因组编辑工具已在大量物种中实现靶向编辑。目前应用最多的是CRISPR-Cas9和CRISPR-Cas12a基因组编辑工具,但它们的蛋白大小均超过1000个氨基酸,不利于递送。来自转座子家族的TnpB和IscB蛋白(大小约400个氨基酸)分别被认为是Cas12和Cas9的祖先蛋白,但其功能直到最近才被解析。它们被统称为专性移动元件引导活性(obligate mobile element-guided activity, OMEGA)蛋白,其引导RNA被称为ωRNA。此后,OMEGA系统成为了基因编辑领域的研究热点之一。OMEGA系统在三域生物中都有广泛分布,而且种类多样。对OMEGA系统的深入研究,将有助于开发精简、高效、安全的新型基因组编辑工具。本文围绕OMEGA系统的发现历程、结构特点、作用机制和在基因组编辑中的应用展开介绍,为新型基因组编辑工具的开发和优化提供参考。

Genome editing from Cas9 to IscB:Backwards and forwards towards new breakthroughs

In a very recent article published in Science,Altae-Tran et al.recon-structed the evolution of CRISPR-Cas9 systems and traced their ances-tors to unique groups of transposons(Altae-Tran et al.,2021).These transposable elements encode RNA-guided nucleases that show strong potential for developing novel biotechnologies.Structural domains of these nucleases serve as useful building blocks for engineering novel RNA-guided nucleases via synthetic biology to strongly inspire the de-velopment of novel and precision genome-editing tools.

从CRISPR系统到OMEGA系统:体内基因编辑技术的新突破

CRISPR/Cas系统是一种革命性的基因编辑工具,在过去的20年间已经逐渐应用于基础科学、疾病的研究与治疗、药物的开发等领域。近年来,科学家在对细菌和古生菌的基因组进行研究过程中发现了一个新的RNA引导系统——OMEGA,其转座酶IscB和TnpB分别被鉴定为CRISPR/Cas9和CRISPR/Cas12的祖先。同时,一种真核OMEGA基因编辑系统Fanzor(Fz)蛋白也在近期被报道,而TnpB被鉴定为Fz的祖先。OMEGA系统这些尺寸较小的内切酶允许腺相关病毒(AAV)的传递,在体内靶向基因编辑方面显示出更优越的特性。文章对OMEGA系统相关的RNA引导的核酸内切酶进行了综述。

Ⅴ型CRISPR-Cas系统相关移动遗传元件的研究进展

移动遗传元件是指一段可以发生转座的DNA。CRISPR-Cas是细菌中存在的适应性免疫系统,其进化起源与部分移动遗传元件存在密切联系。总结了V型CRISPR-Cas系统与相关移动遗传元件中不同蛋白质在功能与作用机制方面的异同,分析二者之间在进化上的联系,整理其在基因组编辑等方面的应用,并对其未来发展进行展望。

基因组编辑工具的发展:从CRISPR/Cas9到TnpB

基因组编辑技术经历了第一代锌指核酸酶(zinc-finger nuclease, ZFNs)、第二代转录激活子样效应因子核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALENs)的发展,以及当前应用最广泛、研究最深入的第三代规律性重复短回文序列簇(clustered regularly interspaced short palindromic repeat, CRISPR/Cas)系统。CRISPR/Cas系统可以在动物、植物、微生物基因组上实现定点敲除、单碱基替换和插入、小片段精准插入和缺失等多种功能。但目前最广泛使用的Cas9和Cas12a核酸酶的尺寸过大,以至于超过了很多载体的装载量而难以递送至细胞核。插入序列类似Cas9的B蛋白(insertion sequences Cas9-like B, IscB)和转座子相关转座蛋白B(transposon-associated transposase B, TnpB)等新型核酸酶,是IS200/IS605转座子超家族的成员,分别是Cas9和Cas12的祖先,两者的大小均约400个氨基酸,较小的体积使得它们在递送到动植物细胞核上有较大的优势,从而成为当前基因组编辑技术的研究热点之一。本文对IscB和TnpB的系统进化关系、作用原理、最新研究进展进行综述,以期为进行相关研究的人员提供帮助。