《自然生物技术》：新的基因组编辑工具揭示了真菌隐藏的药物生产潜力

研究人员花了几十年时间和数十亿美元对动物和作物基因组进行测序，但真菌在历史上一直是基因组学中被遗忘的中间孩子，只有在它们破坏面包或殖民脚趾时才会被注意到。

“考虑到真菌对现代医学的影响，这种忽视有点令人惊讶。从偶然发现的盘尼西林到降胆固醇的他汀类药物，我们将许多最近在长寿方面的突破归功于真菌化学。但尽管如此，绝大多数真菌王国仍然是一个黑盒子。”化学和生物分子工程师Xue "Sherry" Gao说。

这个谜团的主要驱动因素是，当真菌在无菌的实验室条件下生长时，它们会关闭在野外合成的产生药物的基因途径，以对抗细菌。

Gao教授说：“为了重新开启那些沉默的通路，我们需要一种强大的方法来精确地操纵真菌基因组，比如编辑它们的主调控基因，但传统的工具无法胜任这项任务。”

现在，Gao和她在工程与应用科学学院的团队开发了一种新的基因组编辑工具，称为fPE7max，用于导航线状霉菌的复杂遗传结构，被称为丝状真菌-认为曲霉，或给世界带来青霉素的青霉菌-并最终解开这个被忽视的王国的秘密。

他们的研究结果发表在《自然生物技术》杂志上。

“我们分离出了18种不同的复杂分子，其中8种具有科学上全新的化学结构，”第一作者、博士后 Chunxiao Sun说。在这些未发现的分子中，有三种表现出很有希望的抗癌特性。这些分子可以作为疾病治疗的先导化合物，为药物发现提供了一条重要的新途径。

Sun说，一种新的分子对人类乳腺癌、肝癌和白血病细胞显示出选择性毒性。

改写真菌基因组学教科书

在过去的十年里，CRISPR-Cas9一直是引人注目的基因剪接工具。但是高解释说，在丝状真菌中，它是抗菌化合物的丰富来源，它可能是一个钝器，导致意想不到的突变。

一种名为“起始编辑”的新技术完全避免了双链断裂，从而可以精确控制DNA序列。但是为真菌王国调整初始编辑是一个挑战。

首先，研究小组必须确保他们的基因指令在细胞中存活下来。初始编辑依赖于向导rna——一种分子指令手册，它告诉工具去哪里，写什么新代码。但是，当研究人员试图进行大规模编辑时，这些说明手册可能会变得不合理地长，使它们变得脆弱，容易在编辑工作完成之前退化。

他们的解决方法是将一种特殊的蛋白质- fl -整合到他们的工具中。fLa作为一种坚固的保护性粘合剂，保护脆弱的RNA指令，使fPE7max能够处理导致其他工具崩溃的大量DNA插入和删除。

其次，研究小组必须阻止真菌细胞识别研究人员的新编辑，将它们标记为错误，并将DNA恢复到原来的序列。为了解决这个问题，研究小组加入了一种特殊的蛋白质，这种蛋白质可以使真菌的自然修复系统静音，让新的遗传密码永久地占据一席之地。

古老的生物体，新的科学

由此产生的平台fPE7max实现了接近90%的编辑效率。通过使用fPE7max打开这些沉默真菌基因簇的开关，研究小组发现了以前未知的化合物。

为了测试他们的新工具，研究人员瞄准了一个被称为laeA的主基因的调控序列，该基因控制着一个巨大的生物合成途径网络。通过使用fPE7max精确编辑出天然抑制该基因翻译的分子障碍，他们成功地唤醒了几种不同真菌物种中沉默的基因簇，发现了具有抗癌特性的分子。

“这是一个令人信服的概念验证，表明下一代拯救生命的疗法可能已经存在于自然界中，”Gao补充说。

展望未来，该团队计划在更广泛的真菌物种中部署fPE7max，以继续寻找新的天然产物。研究人员希望从寻找可能产生有用药物的野生真菌的寻宝方法转向一个系统优化的时代。