青出于蓝！张锋的学生Patrick Hsu连发2篇Nature，推出基于“桥RNA”的全新基因编辑技术|dna|rna|位点|反恐|国防部门|基因编辑技术|张锋|特种部队|生物学家|转座

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

长期以来，生物学家一直渴望开发出可编程的方法来重组基因组中的长片段DNA序列。这种能力将使研究人员能够在单个步骤中将千碱基级DNA序列插入、倒位、删除或移动到细胞中基因组的特定位置。

因此，研究人员一直致力于研究能够介导大片段基因组重排的重组酶和转座酶，但要精确地使这些酶靶向特定的基因组位点却极具挑战性。

2024年6月26日，Arc研究所的Patrick Hsu等人在Nature期刊同期发表了两篇研究论文，这两篇论文描述了一种受桥RNA（Bridge RNA）引导的重组酶的特性，其能够在特定基因组位点插入、倒位或删除长片段DNA序列，从而使这些重组酶能够重编程以实现新的基因组编辑能力。

能实现这些基本DNA重排（插入、倒位或删除）的单个步骤或提供一种更简易的基因组编辑方法。该方法或比现有技术更有优势，有望比现有技术进行更精准有效的大规模基因组编辑，以及能介导重组而不是造成需要修复的断裂。

值得一提的是，这两篇论文的通讯作者Patrick Hsu是CRISPR基因编辑先驱张锋教授的第一届研究生。

张锋（左），Patrick Hsu（右）

Patrick Hsu（左）和论文共同第一作者Nick Perry、Matt Durrant

第一篇论文题为：Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA。

在这篇论文中，研究团队描述了一种将可编程重组酶用于基因编辑的技术。这些重组酶由RNA引导，RNA则作为引导重组酶靶向位点和促进预选编辑的“桥”（Bridge）。这个RNA桥含有一个指定供体DNA序列的区域以及另一个指定基因组插入位点的区域。这两个区域都能通过独立重编程识别并结合不同的DNA序列或插入位点，并对不同类型的DNA重排使用一种通用机制。这个桥RNA比使用常规重组酶的现有基因编辑技术更易修饰，现有基因编辑技术需利用更复杂的蛋白质-DNA结合位点。

进化已经赋予了大量的酶来完成基因组重排和多样化的任务。这一过程使得新基因的出现和功能特化成为可能，并促进了免疫系统的发展以及病毒和可移动遗传元件（MGE）的机会性传播。MGE存在于所有生命形式中，通常通过转座酶、整合酶、归巢内切酶或重组酶进行移动。这些酶通常通过蛋白质-DNA相互作用识别DNA，可以根据其目标序列特异性进行广泛分类，范围从位点特异性（例如Cre酶、Bxb1重组酶）到半随机（例如Tn5酶和PiggyBac转座酶）。

插入序列（IS）元件是最基本的自主型可移动遗传元件之一，在细菌和古细菌中广泛存在。许多已鉴定的IS元件使用一种自编码的转座酶，通过蛋白质-DNA相互作用识别末端反向重复序列（TIR）。根据其同源性、结构和转座机制，IS元件已被分为约28个家族，但它们可以根据编码转座酶的保守催化残基进行粗略分类，这些包括DDE、DEDD和HUH转座酶，以及较少见的丝氨酸转座酶或酪氨酸转座酶。

IS110家族元件是剪切-粘贴型可移动遗传元件，它们在转座机制中无痕地从基因组中切除自己，并生成环状形式。鉴于这一机制和生命周期，IS110转座酶更准确地可被描述为重组酶。虽然在其他IS家族中也发现了环状中间体，但IS110是唯一使用DEDD催化结构域的重组酶家族。IS110元件通常缺乏TIR，似乎以序列特异性的方式整合，通常针对微生物基因组中的重复序列。尽管IS110元件的DNA识别和重组机制尚不清楚，但之前的研究表明，位于重组酶ORF两侧的非编码区控制着重组酶的表达。

该研究显示，IS110编码一个重组酶和一个非编码的桥RNA（bridge RNA），桥 RNA能够特异性地与编码的重组酶结合。这种桥RNA包含两个内部环状结构，编码核苷酸序列，能够与目标DNA和供体DNA （即IS110元件本身）配对。该研究进一步证明，靶向结合环和供体结合环可以独立地重编程，以指导两个DNA分子之间的特定序列重组。

这种模块化特性使DNA能够插入到基因组目标位点，并能够进行可编程的DNA切除和逆转录。IS110桥重组系统将核酸引导系统的多样性扩展到了CRISPR和RNAi之外，提供了一种统一的机制，用于执行三种基本的DNA重排操作——插入、删除和倒位，这些操作对于基因组设计至关重要。

总的来说，该研究表明，桥RNA这种模块化特性，使得通过序列特异性的插入、倒位或删除的DNA重排机制得以通用化，从而提出了一种全新的基因组编辑技术

第二篇论文题为： Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination。

该研究利用冷冻电镜解析了IS110重组酶与其桥RNA、靶DNA和供体DNA复合体的结构，进而详细揭示了其作用机制。

插入序列（IS）元件是在原核基因组中发现的最简单的自主转座元件，IS110家族元件编码一种重组酶和一种非编码桥RNA （Bridge RNA），该研究报告了IS110重组酶与其桥RNA、目标DNA和供体DNA在重组反应周期的三个不同阶段的冷冻电镜结构。对这三种结构的比较揭示了以下过程：1）目标和供体DNA的顶端链在复合活性位点处被切割，形成共价5'-磷酸丝氨酸中间体；2）切割的DNA链交换并重新连接形成Holliday junction中间体；3）随后通过切割底端链来解离中间体。

总的来说，这项研究揭示了双特异性RNA如何赋予IS110重组酶对目标和供体DNA的特异性，以实现可编程的DNA重组。

Nature 期刊在同期发表的“新闻与观点”文章中写道，该技术“是大规模基因组修饰领域的一次令人欣喜的进步，今后有着许多值得探索的应用”。