麻省理工學(xué)院麥戈文研究所和哈佛大學(xué)布羅德研究所的科學(xué)家們在對自然多樣性的廣泛探索中，發(fā)現了古老的基因組編輯系統，這可能擴展基因組編輯工具箱。這些系統被研究人員稱(chēng)為TIGR（串聯(lián)間隔引導RNA）系統，其利用RNA將其引導到DNA上的特定目標位點(diǎn)。TIGR系統可以被重新編程以針對任何感興趣的DNA序列，并且具有獨特的功能模塊，可以對靶向DNA進(jìn)行作用。除了模塊化設計外，TIGR的體積相比其他RNA引導系統（如CRISPR）更加緊湊，這在不同應用中具有重要的優(yōu)勢。

“這是一個(gè)非常多功能的RNA引導系統，蘊含豐富的多樣性功能，”該研究的領(lǐng)導者、麻省理工學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授馮章表示。馮章的團隊發(fā)現的與TIGR相關(guān)的（Tas）蛋白具有一個(gè)特征性RNA結合組件，它與RNA引導相互作用，并將其引導至基因組中的特定位置。有些Tas蛋白在該位置切割DNA，利用蛋白的鄰近DNA切割片段。這樣的模塊化設計可以促進(jìn)工具的開(kāi)發(fā)，使研究人員能夠將有用的新功能整合到天然Tas蛋白中。

“自然具有巨大的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以尋找新的生物機制，并利用它們操控生物過(guò)程，”他說(shuō)。此前，馮章的團隊將細菌CRISPR系統改編為基因編輯工具，徹底改變了現代生物學(xué)。他的團隊還發(fā)現了多種可編程蛋白，包括來(lái)自CRISPR系統及其以外的蛋白。

圖片鏈接：https://www.eurekalert.org/multimedia/1062422

圖片信息：Tas 蛋白使用 RNA 向導來(lái)識別特定的靶 DNA 序列。  

在他們的新研究中，為了尋找新穎的可編程系統，團隊開(kāi)始專(zhuān)注于CRISPR Cas9蛋白與酶的RNA引導結合的結構特征。正是這一關(guān)鍵特征使得Cas9成為如此強大的工具：“RNA引導使得重新編程相對簡(jiǎn)單，因為我們知道RNA如何結合到其他DNA或RNA上，”馮章解釋道。他的團隊在已知或預測結構的生物蛋白中搜索了數億種，以尋找任何具有相似結構域的蛋白。為了找到更遠相關(guān)的蛋白，他們采用迭代過(guò)程：從Cas9出發(fā)，他們找到了一個(gè)名為IS110的蛋白，以前的研究表明該蛋白能夠結合RNA。隨后，他們專(zhuān)注于IS110能夠結合RNA的結構特征，重復進(jìn)行搜索。

此時(shí)，搜索返回了如此多的遠相關(guān)蛋白，團隊轉而使用人工智能進(jìn)行分析。“當你進(jìn)行迭代、深入挖掘時(shí)，得到的結果可能會(huì )極其多樣化，以至于使用標準的系統發(fā)育方法進(jìn)行分析時(shí)會(huì )變得十分困難，這些方法通常依賴(lài)于保守序列，”計算生物學(xué)家Guilhem Faure解釋道。利用蛋白質(zhì)大型語(yǔ)言模型，團隊能夠根據它們可能的進(jìn)化關(guān)系將發(fā)現的蛋白分類(lèi)為不同組。一個(gè)獨立于其他組的群體特別引人注目，因為其成員的基因編碼具有規律間隔的重復序列，類(lèi)似于CRISPR系統中的一個(gè)關(guān)鍵組件。這就是TIGR-Tas系統。

目前，馮章的團隊發(fā)現了超過(guò)20,000種不同的Tas蛋白，主要存在于感染細菌的病毒中。每個(gè)基因的重復區域中的序列——即TIGR陣列——編碼與蛋白的RNA結合部分相互作用的RNA引導。在某些情況下，RNA結合區域與蛋白的DNA切割部分相鄰。其他Tas蛋白似乎與其他蛋白結合，這表明它們可能有助于將這些蛋白引導至DNA目標。

馮章和他的團隊對數十種Tas蛋白進(jìn)行了實(shí)驗，證明其中一些能夠被編程以對DNA進(jìn)行有針對性的切割。在考慮將TIGR-Tas系統開(kāi)發(fā)為可編程工具時(shí)，研究人員對其可能使這些工具特別靈活和精確的特征感到鼓舞。

他們指出，CRISPR系統只能被引導至被稱(chēng)為PAM（前間隔相鄰基序）的短基序所夾的DNA片段。而TIGR Tas蛋白沒(méi)有這樣的要求。“這意味著(zhù)理論上任何基因組中的位點(diǎn)都應該是可靶向的，”科學(xué)顧問(wèn)Rhiannon Macrae表示。團隊的實(shí)驗還顯示，TIGR系統具有Faure所稱(chēng)的“雙引導系統”，能夠與DNA雙螺旋的兩個(gè)鏈相互作用，精確定位靶序列，這應確保它們只在RNA引導的指引下進(jìn)行作用。此外，Tas蛋白的體積相對較小，平均只有Cas9的四分之一，使得其更易于傳遞，這可能克服了基因編輯工具在某些應用中的一個(gè)主要障礙。

馮章的團隊對他們的發(fā)現感到興奮，現在他們正在研究TIGR系統在病毒中的自然作用，以及如何將其應用于研究。他們已確定了一種在細胞中有效的Tas蛋白的分子結構，并將利用該信息來(lái)提升其效率。此外，他們還注意到TIGR-Tas系統與細胞中某些RNA加工蛋白之間的聯(lián)系。“我認為在這些關(guān)系的研究中還有更多的內容，這可能幫助我們更好地理解這些系統的功能，”馮章表示。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adv9789