RNA的神秘力量：基因編輯的“超級英雄”

出品：科普中國

作者：楊昌佳漣（中國科學(xué)院微生物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。

基因編輯，這個(gè)出現(xiàn)在高中課本中的名詞，它的原理簡單易懂：通過核酸內(nèi)切酶實(shí)現(xiàn)對基因組特定基因序列的敲除、插入或精確修飾。近期科學(xué)家們又找到了一把能夠打開基因編輯世界大門的鑰匙：RNA指導(dǎo)的重組酶。這個(gè)工具不僅有可能改變基因編輯的“游戲規(guī)則”，還可能為我們未來的生物技術(shù)帶來驚人的突破。

RNA的神秘力量：基因編輯的“超級英雄”

基因組編輯就像是在編寫一本巨大的生命手冊，而RNA就是那位巧妙的編寫者。傳統(tǒng)的基因編輯工具，如CRISPR-Cas9（一種基因編輯工具，通過RNA引導(dǎo)的Cas9酶精確地切割DNA），就像是一把鋒利的剪刀，可以精確地剪切特定的DNA序列。然而，RNA指導(dǎo)的重組酶則是更進(jìn)一步的“超級英雄”，它們不僅可以剪切，還能插入、倒位或刪除更長的DNA序列——這就像是能操控整個(gè)生命篇章的魔法師。

2024年6月，一項(xiàng)研究揭示了RNA指導(dǎo)的重組酶的新特性，這些酶可以通過一種稱為“橋RNA”（bRNA）的特殊工具，在基因組的指定位置精確地插入或刪除DNA序列。bRNA像是這些重組酶的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，指引它們到達(dá)特定的“目的地”。

想象一下，這些重組酶就像是一群受過專業(yè)培訓(xùn)的修理工，而bRNA則是他們的圖紙和指南，確保每個(gè)修補(bǔ)工作都能準(zhǔn)確無誤地完成。

常規(guī)酶和橋式重組酶的比較

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

新的發(fā)現(xiàn)：探險(xiǎn)家的偉大旅程

科學(xué)家的每一次研究就像是一場激動人心的探險(xiǎn)旅程，他們發(fā)現(xiàn)IS110元件（一類短的移動遺傳元件，可以在細(xì)菌基因組中移動，通過插入基因或調(diào)控區(qū)域，引起基因突變、失活或調(diào)控改變）不僅編碼重組酶，還攜帶了一種非編碼RNA，即橋RNA（bRNA），這一發(fā)現(xiàn)猶如在荒野中找到了一張通往寶藏的地圖。

bRNA通過兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其功能：供體結(jié)合環(huán)（DBL）識別供體DNA，而靶點(diǎn)結(jié)合環(huán)（TBL）則識別靶點(diǎn)DNA。這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)使得bRNA可以精確地指導(dǎo)重組酶在基因組中進(jìn)行各種操作，如插入、倒位或刪除DNA序列。

更令人興奮的是，這些環(huán)結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，賦予重組酶前所未有的靈活性。這就像是給了探險(xiǎn)家們一套萬能工具，無論面對何種地形，他們都能找到通往目標(biāo)的最佳路徑。此外，他們還通過計(jì)算識別了其他IS110和IS1111元件中的bRNA，這意味著這種工具不僅限于一種重組酶，而是一個(gè)龐大的家族，各具特色，潛力無窮。

左：bRNA的結(jié)構(gòu)圖，右：bRNA與同源靶和供體DNA的堿基配對模型

（圖片來源：參考文獻(xiàn)5）

DNA的神奇舞蹈：從分子到大工程

為了搞清楚這些重組酶和bRNA如何協(xié)同工作，科學(xué)家們進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)研究。就像是給我們展示了一場分子級別的芭蕾舞表演，科學(xué)家們通過高分辨率結(jié)構(gòu)解析揭示了這些酶在DNA重排反應(yīng)中的動作細(xì)節(jié)。

在這個(gè)舞蹈中，DBL（供體結(jié)合環(huán)）和TBL（靶點(diǎn)結(jié)合環(huán)）是舞者的兩只腳，分別負(fù)責(zé)與dDNA（供體DNA）和tDNA（靶點(diǎn)DNA）配對。而重組酶的活性位點(diǎn)就像是舞臺上的焦點(diǎn)，負(fù)責(zé)執(zhí)行精準(zhǔn)的剪切動作。

研究還揭示了重組酶中的疏水氨基酸如何使DNA雙鏈不穩(wěn)定（不穩(wěn)定指的是DNA雙鏈的結(jié)構(gòu)變得不夠緊密或穩(wěn)定，可能導(dǎo)致雙鏈部分的解開或局部的變性），從而幫助bRNA識別目標(biāo)?？茖W(xué)家們甚至比喻說，這些氨基酸就像是讓舞臺上的燈光閃爍，讓重組酶的動作更加迷人和準(zhǔn)確。

bRNA-dDNA-tDNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)3）

挑戰(zhàn)與希望：從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)實(shí)

盡管這些研究成果令人振奮，但當(dāng)前的研究主要集中在體外實(shí)驗(yàn)和大腸桿菌中，像是在一個(gè)受控的實(shí)驗(yàn)室舞臺上進(jìn)行排練。我們還不確定這些可編程的重組酶能否在其他更復(fù)雜的生物體中發(fā)揮同樣的作用。

不過，科學(xué)家們對這些RNA指導(dǎo)的重組酶的應(yīng)用充滿期待。想象一下，如果我們能夠在哺乳動物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)同樣的精確基因編輯，這將為醫(yī)學(xué)研究和治療帶來怎樣的變革？正如CRISPR-Cas系統(tǒng)在多種生物體中展現(xiàn)了它的強(qiáng)大功能，我們有理由相信，經(jīng)過進(jìn)一步的優(yōu)化和工程改造，RNA指導(dǎo)的重組酶也能在更復(fù)雜的生物系統(tǒng)中大顯身手，在哺乳動物細(xì)胞中展現(xiàn)它們的威力。

結(jié)語

RNA指導(dǎo)的重組酶為基因組編輯開辟了新的篇章。這些工具不僅提高了編輯的效率和特異性，還展示了令人驚嘆的精準(zhǔn)度和靈活性。這些研究不僅為基因組編輯領(lǐng)域帶來了令人激動的新進(jìn)展，還激勵了科學(xué)家們繼續(xù)探索其他RNA的可編程功能。讓我們拭目以待，期待發(fā)現(xiàn)更多有趣的生物工具，填補(bǔ)基礎(chǔ)生物學(xué)與強(qiáng)大生物技術(shù)工具之間的空白。

參考文獻(xiàn)：

1. Connor J. Tou & Benjamin P. Kleinstiver. Programmable RNA-guided enzymes for next-generation genome editing.

2. Durrant, M.G., Perry, N.T., Pai, J.J. et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA. Nature 630, 984–993 (2024).

3. Hiraizumi, M., Perry, N.T., Durrant, M.G. et al. Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination. Nature 630, 994–1002(2024).