摘要：Broad研究所张锋教授领导的研究团队近日扩大了基因组编辑的工具箱。
Broad研究所张锋教授领导的研究团队近日扩大了基因组编辑的工具箱。他们在对自然多样性进行深入探索后，发现了一些古老的系统。这些被称为TIGR（串联间隔向导RNA）的系统在向导RNA的引导下到达DNA上的特定位点。
TIGR系统可以重编程，以靶向任何感兴趣的DNA序列，并且它们具有不同的功能模块，可以对靶向的DNA发挥作用。除了模块化之外，TIGR系统与CRISPR等系统相比非常小巧，这在治疗应用中将是一大优势。
图1 TIGR-Tas：原核生物及其病毒中的模块化RNA引导DNA靶向系统家族这项研究成果于2025年2月27日在线发表于《Science》杂志上。
据张锋介绍，这是一个用途非常广泛的系统。研究团队发现，TIGR相关（Tas）蛋白都有一种特征性的RNA结合组分，能够与向导RNA相互作用。有些蛋白利用邻近的DNA切割组分切割该位点上的DNA。这种模块化有助于工具开发，允许研究人员将一些新功能整合到天然的Tas蛋白中。
“大自然真是不可思议，”张锋说，他也是麦戈文脑科学研究院的研究员。“它拥有大量的多样性，我们一直在探索这种自然多样性，以发现新的生物机制，并将其用于不同的应用，以操纵生物过程。”
此前，张锋团队将细菌CRISPR系统改造为基因编辑工具，彻底改变了现代生物学。他的团队还发现了多种可编程蛋白，既有来自CRISPR系统的，也有其他来源的。
在这项新工作中，为了寻找新的可编程系统，团队首先锁定了CRISPR Cas9蛋白的一个结构特征，那就是与向导RNA结合。这是Cas9成为强大工具的关键特征。“被RNA引导使得它相对容易重新编程，因为我们知道RNA如何与其他DNA或其他RNA结合，”张锋解释道。
他们搜索了数亿个已知或预测结构的蛋白质，寻找具有类似结构域的蛋白。为了找到亲缘关系更远的蛋白，他们采用了一个迭代过程：从Cas9开始，他们鉴定出一种名为IS110的蛋白，此前已有研究表明它能够与RNA结合。他们随后锁定IS110的结构特征，并重复搜索。
此时，搜索发现了许多亲缘关系很远的蛋白质，因此团队需要借助人工智能来梳理这份清单。张锋实验室的计算生物学家Guilhem Faure解释说：“当你进行迭代、深入挖掘时，得到的结果可能是多样化的，很难用标准的系统发育方法进行分析，因为这些方法依赖于保守序列。”
利用蛋白质大型语言模型，研究团队根据蛋白质的可能进化关系，将他们发现的蛋白分组。其中一组让他们印象深刻，因为它们是由带有规律间隔重复序列的基因编码的，这让人联想到CRISPR系统。至此，他们发现了TIGR-Tas系统。
张锋及其同事发现了超过20000种不同的Tas蛋白，它们大多存在于感染细菌的病毒中。每个基因重复区域（TIGR阵列）内的序列编码RNA向导，它们与蛋白质的RNA结合部分相互作用。有些蛋白的RNA结合区域与DNA切割部分相邻。另一些似乎与其他蛋白质结合，这表明它们可能有助于将这些蛋白引导至DNA靶点。
研究人员对数十种Tas蛋白进行了分析，证明有些蛋白质可以被编程，在人体细胞中对DNA进行定向切割。由于他们考虑将TIGR-Tas系统开发为可编程工具，这些特征的存在可以使这些工具变得更加灵活和精确。
他们指出，CRISPR系统只能被引导至两侧有PAM短序列的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白没有这样的要求。“这意味着从理论上讲，基因组中的任何位点都可以被靶向，”科学顾问Rhiannon Macrae说。
实验还表明，TIGR系统具有“双重引导系统”，与DNA双螺旋的两条链相互作用以锁定其目标序列，这能确保它们只在RNA引导的位置上发挥作用。此外，Tas蛋白体积小巧，平均只有Cas9大小的四分之一，这使得它们更容易递送，这有望克服基因编辑工具在治疗方面的一个主要障碍。
张锋团队对这项新发现感到兴奋，他们目前正在研究TIGR系统在病毒中的天然作用，以及如何将它们用于研究或治疗。他们已经确定了一种在人类细胞中起作用的Tas蛋白的分子结构，并将利用这些信息来指导他们的工作，使其更加有效。
参考资料
[1] TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses
蛋白酶K (源自林伯氏白色念球菌)
茚三酮显色溶液套装，日立分析仪专用 (299-70501)
氨基酸混合标准溶液,AN-2型 (011-14463)
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