Science：可编程的DNA剪刀

　　

生物通报道：劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科学家发现了一种更有效的基因组编辑新方法，为基因工程和基因组研究者带来了福音。基因工程改造的微生物（如细菌和真菌）在生物能源和药物研发等方面起到了关键作用，而这一研究成果能为科学家提供极大的帮助。

劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队发现了一种双链RNA，能指导细菌蛋白在特定位点剪切外源DNA，而且将这种双链RNA改造为单链RNA，能指导细菌蛋白对几乎所有DNA序列进行剪切。该文章发表在Science杂志上。

研究人员发现的这种RNA引导的双链DNA剪切是细菌获得性免疫系统的核心。细菌和古细菌面临着病毒和质粒的不断攻击，微生物为了生存采用了以CRISPR（成簇的规律间隔的短回文重复序列）为核心的免疫系统。细菌和古细菌能够利用小crRNA分子（CRISPR-derived RNA），结合CRISPR和相关内切酶Cas蛋白（CRISPR-associated蛋白）靶标并摧毁入侵病毒和质粒的DNA。

CRISPR/Cas免疫系统主要有三种类型。这里研究人员研究的是完全依赖Cas9内切酶家族来靶标和剪切外源DNA的II型CRISPR/Cas免疫系统。研究发现在这一系统中，crRNA通过碱基配对与tracrRNA（trans-activating RNA）结合，形成双链RNA。这一tracrRNA:crRNA二元复合体指导Cas9蛋白在crRNA引导序列靶标的特定位点剪切双链DNA。在与crRNA引导序列互补的位点，Cas9蛋白的HNH核酸酶结构域剪切互补链而Cas9 RuvC-like 结构域剪切非互补链。（见图１）

研究人员将这种tracrRNA:crRNA二元复合体改造为单链RNA嵌合体，也能同样指导Cas9蛋白在特定位点剪切双链DNA。tracrRNA:crRNA复合体结合Cas9蛋白，并通过crRNA与目标DNA碱基配对引导Cas9蛋白到特定DNA序列，微生物通过这一机制剪切并破坏病毒和质粒，而这一系统也可以用于对基因组中目标DNA进行改造。

研究人员正在深入研究这一RNA引导的剪切作用的细节，并测试这一系统是否能在真菌、线虫、植物和人类细胞等真核生物中起作用。

这一机制有望成为有效的基因组改造新工具，可编程RNA引导的基因组改造为基因组编辑开辟了新途径。

图１：

 

可编程的DNA剪刀：细菌免疫系统发现的双链RNA指导Cas9在特异位点剪切入侵DNA。人为改造这一双链RNA，可以用于进行基因组编辑。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

A programmable dual RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity

CRISPR/Cas systems provide bacteria and archaea with adaptive immunity against viruses and plasmids by using crRNAs to guide the silencing of invading nucleic acids. We show here that in a subset of these systems, the mature crRNA base-paired to trans-activating tracrRNA forms a two-RNA structure that directs the CRISPR-associated protein Cas9 to introduce double-stranded (ds) breaks in target DNA. At sites complementary to the crRNA-guide sequence, the Cas9 HNH nuclease domain cleaves the complementary strand while the Cas9 RuvC-like domain cleaves the noncomplementary strand. The dual-tracrRNA:crRNA, when engineered as a single RNA chimera, also directs sequence-specific Cas9 dsDNA cleavage. Our study reveals a family of endonucleases that use dual RNAs for site-specific DNA cleavage and highlights the potential to exploit the system for RNA-programmable genome editing.