Nature Biotech：从真菌中寻找新的抗癌化合物

　　

几十年来，研究人员投入了数十亿美元对动物和农作物基因组进行测序，但真菌在基因组学领域一直被遗忘，只有当它们毁了面包或侵染脚趾时才会引起注意。

宾夕法尼亚大学的副教授Xue Gao认为：“考虑到真菌对现代医学的深远影响，这种忽视着实令人惊讶。”

“从青霉素的偶然发现到降低胆固醇的他汀类药物，我们近年来许多延年益寿的突破都归功于真菌化学。但尽管如此，真菌界的绝大部分仍然是个黑匣子。”

造成这一谜团的主要原因在于，当真菌在无菌实验室条件下生长时，会关闭那些在野外用于对抗细菌的药物合成基因通路。

“要重新激活这些沉默的通路，我们需要一种强大的方法来精确地操控真菌基因组，例如编辑其主调控基因，但传统工具无法胜任这项任务，”Gao说。

如今，宾夕法尼亚大学的研究团队开发出一种名为fPE7max的新型基因组编辑工具，用于探索丝状真菌（如曲霉属青霉属）的复杂遗传结构，并最终揭开这个被忽视的界别的秘密。

这项研究成果于6月30日发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

共同第一作者、宾夕法尼亚大学的博士后研究员Chunxiao Sun表示：“我们分离出18种不同的复杂分子，其中8种的化学结构是科学界前所未见的。”

“在这些新发现的分子中，有3种展现出良好的抗癌特性。这些分子可以作为疾病治疗的先导化合物，为药物研发开辟一条至关重要的新途径。”

重写真菌基因组学教科书

过去十年，CRISPR-Cas9一直是备受关注的基因编辑工具。不过Gao教授解释说，在富含抗菌化合物的丝状真菌中，CRISPR-Cas9可能是一种过于粗暴的工具，会导致意想不到的突变。

一种名为先导编辑（prime editing）的新技术避免了双链断裂，从而能够精确控制DNA序列。然而，将这种技术应用于真菌界却是一项挑战。

首先，研究团队必须确保他们的遗传指令能够顺利穿过细胞。先导编辑依赖于向导RNA。但是，当他们试图进行大规模编辑时，这些指令可能会变得异常冗长，导致它们变得脆弱，容易在编辑工作完成之前降解。

他们的解决方法是将一种特殊的蛋白质（fLa）整合到编辑工具中。fLa作为一种保护性结合剂，能够保护脆弱的RNA指令，使fPE7max能够处理那些大规模的DNA插入和缺失操作。

其次，研究团队必须阻止真菌细胞识别这些新编辑内容，将其标记为错误并将DNA恢复到原始序列。为了克服这一难题，他们引入了一种特殊的蛋白质，这种蛋白质能够暂时抑制真菌的天然修复系统，从而使新的遗传密码永久生效。

古老的生物，崭新的科学

由此开发出的fPE7max平台的编辑效率接近90%。通过利用fPE7max激活这些沉默的真菌基因簇，研究人员发现了此前未知的化合物。

为了测试他们的新工具，研究人员将目标锁定在名为laeA的主调控基因的调控序列上，该基因控制着生物合成通路的庞大网络。

他们利用fPE7max精确删除了抑制该基因翻译的分子障碍，成功激活了多个真菌物种中的沉默基因簇，并从中发现了具有潜在抗癌特性的分子。

“这是一个极具说服力的概念验证，表明新一代挽救生命的疗法可能早已存在于自然界中，”Gao补充说。

展望未来，研究人员计划将fPE7max应用于更广泛的真菌物种，继续寻找新型天然产物。他们希望摆脱以往那种“寻宝”式方法，转而采用系统优化的策略。