Arc 研究所的科學家發現了橋式重組酶機制，這是一種革命性的工具，可實現完全可編程的DNA重排。他們的發現詳見最近發表在《自然》雜誌上的文章，這是首個利用非編碼RNA進行目標和供體DNA 分子序列特異性選擇的DNA 重組酶。這種橋接RNA 是可編程的，允許使用者指定任何所需的基因組目標序列和任何要插入的供體DNA 分子。

橋式重組酶機制的可視化。來源：視覺科學

這項研究是與Arc 研究所核心研究員、史丹佛大學生物化學助理教授Silvana Konermann 和東京大學結構生物學教授Hiroshi Nishimasu 的實驗室合作完成的。

橋式重組酶機制的可視化，突顯供體和目標結合環。來源：視覺科學

基因程式設計新時代

該研究的資深作者、Arc 研究所核心研究員、加州大學柏克萊分校生物工程助理教授Patrick Hsu 博士表示：”橋式RNA 系統是一種全新的生物編程機制。橋式重組可以透過序列特異性插入、切除、反轉等方式普遍修改遺傳物質，從而實現超越CRISPR的活體基因組文字處理器。

橋式重組系統源自於插入序列110（IS110）元件，它是無數種可轉座元件（或稱為”跳躍基因”）中的一種，可在微生物基因組內部和之間進行剪切和粘貼。可轉座元件遍佈所有生命形式，並已進化成專業的DNA 操作機器，以求生存。 IS110元件非常簡單，僅由一個編碼重組酶的基因和側翼DNA片段組成，而這些DNA片段直到現在仍是一個謎。

可視化橋式重組酶機制，突顯轉座子DNA 和基因組目標位點。來源：視覺科學

橋式RNA 的先進機制

Hsu 實驗室發現，當IS110 從基因組中切除時，非編碼DNA 的末端會連接在一起，產生一個折疊成兩個環的RNA 分子–橋接RNA。其中一個環路與IS110 元本身結合，而另一個環路則與插入IS110 元的目標DNA 結合。橋接RNA 是雙特異性引導分子的第一個例子，它透過鹼基配對相互作用指定目標DNA 和供體DNA 的序列。

研究團隊發現了橋式重組酶機制，這是一種以可編程方式重組和重排DNA 的精確而強大的工具。橋式重組酶機制遠遠超越了CRISPR等可編程基因剪刀，它使科學家們不僅能指定要修改的目標DNA，還能指定要識別的供體材料，因此他們可以插入新的功能性遺傳物質，剪除有問題的DNA，或反轉任何兩個感興趣的序列。透過這段視覺化橋式重組機制關鍵環節的影片短片，您可以了解更多資訊。來源：視覺科學

橋接RNA 的每個環路都可獨立編程，研究人員可以將感興趣的目標DNA 序列與供體DNA 序列混合匹配。這意味著該系統可以遠遠超越其插入IS110 元件本身的天然作用，而是能夠將任何理想的基因載荷（如有缺陷的致病基因的功能拷貝）插入到任何基因組位置。在這項工作中，研究小組證明，在大腸桿菌中插入所需基因的效率超過60%，對正確基因組位置的特異性超過94%。

共同第一作者、加州大學柏克萊分校生物工程研究生尼克-佩里（Nick Perry）說：”這些可編程橋接RNA 將IS110 與其他已知重組酶區分開來，後者缺乏RNA 成分，無法進行編程。就好像橋接RNA 是通用電源轉接器，能讓IS110 與任何插座相容”。

Patrick Hsu、Nick Perry 和Matt Durrant 討論新發現的橋式重組酶機制。圖片來源：Ray Rudolph

合作研究和未來影響

Hsu實驗室與東京大學Hiroshi Nishimasu博士實驗室的合作補充了他們的發現，這項發現也於6月26日發表在《自然》雜誌上。 Nishimasu 實驗室利用低溫電子顯微鏡確定了與目標DNA 和供體DNA 結合的重組酶橋RNA 複合物的分子結構，並依次對重組過程的關鍵步驟進行了分析。

Januka Athukoralage、Nicholas Perry、Silvana Konermann、Matthew Durrant、Patrick Hsu、James Pai 和Aditya Jangid。圖片來源：雷-魯道夫

隨著進一步的探索和發展，橋接機制有望開創第三代RNA 引導系統，超越CRISPR 和RNA 幹擾（RNAi）的DNA 和RNA 切割機制，為可編程DNA 重排提供統一機制。對於哺乳動物基因組設計橋式重組系統的進一步發展至關重要的是，橋式重組酶可以連接兩條DNA 鏈，而不會釋放切割DNA 片段–這避開了當前最先進基因組編輯技術的一個關鍵局限。

「橋式重組機制解決了其他基因組編輯方法所面臨的一些最基本的挑戰，」研究共同負責人、Arc 公司資深科學家馬修-達蘭特（Matthew Durrant）說。 “可編程地重新排列任意兩個DNA分子的能力為基因組設計的突破打開了大門”。

編譯自/ ScitechDaily