摘要：Broad研究所張鋒教授領導的研究團隊近日擴大了基因組編輯的工具箱。
Broad研究所張鋒教授領導的研究團隊近日擴大了基因組編輯的工具箱。他們在對自然多樣性進行深入探索后，發現了一些古老的系統。這些被稱為TIGR（串聯間隔向導RNA）的系統在向導RNA的引導下到達DNA上的特定位點。
TIGR系統可以重編程，以靶向任何感興趣的DNA序列，并且它們具有不同的功能模塊，可以對靶向的DNA發揮作用。除了模塊化之外，TIGR系統與CRISPR等系統相比非常小巧，這在治療應用中將是一大優勢。
圖1 TIGR-Tas：原核生物及其病毒中的模塊化RNA引導DNA靶向系統家族這項研究成果于2025年2月27日在線發表于《Science》雜志上。
據張鋒介紹，這是一個用途非常廣泛的系統。研究團隊發現，TIGR相關（Tas）蛋白都有一種特征性的RNA結合組分，能夠與向導RNA相互作用。有些蛋白利用鄰近的DNA切割組分切割該位點上的DNA。這種模塊化有助于工具開發，允許研究人員將一些新功能整合到天然的Tas蛋白中。
“大自然真是不可思議，”張鋒說，他也是麥戈文腦科學研究院的研究員。“它擁有大量的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以發現新的生物機制，并將其用于不同的應用，以操縱生物過程。”
此前，張鋒團隊將細菌CRISPR系統改造為基因編輯工具，徹底改變了現代生物學。他的團隊還發現了多種可編程蛋白，既有來自CRISPR系統的，也有其他來源的。
在這項新工作中，為了尋找新的可編程系統，團隊首先鎖定了CRISPR Cas9蛋白的一個結構特征，那就是與向導RNA結合。這是Cas9成為強大工具的關鍵特征。“被RNA引導使得它相對容易重新編程，因為我們知道RNA如何與其他DNA或其他RNA結合，”張鋒解釋道。
他們搜索了數億個已知或預測結構的蛋白質，尋找具有類似結構域的蛋白。為了找到親緣關系更遠的蛋白，他們采用了一個迭代過程：從Cas9開始，他們鑒定出一種名為IS110的蛋白，此前已有研究表明它能夠與RNA結合。他們隨后鎖定IS110的結構特征，并重復搜索。
此時，搜索發現了許多親緣關系很遠的蛋白質，因此團隊需要借助人工智能來梳理這份清單。張鋒實驗室的計算生物學家Guilhem Faure解釋說：“當你進行迭代、深入挖掘時，得到的結果可能是多樣化的，很難用標準的系統發育方法進行分析，因為這些方法依賴于保守序列。”
利用蛋白質大型語言模型，研究團隊根據蛋白質的可能進化關系，將他們發現的蛋白分組。其中一組讓他們印象深刻，因為它們是由帶有規律間隔重復序列的基因編碼的，這讓人聯想到CRISPR系統。至此，他們發現了TIGR-Tas系統。
張鋒及其同事發現了超過20000種不同的Tas蛋白，它們大多存在于感染細菌的病毒中。每個基因重復區域（TIGR陣列）內的序列編碼RNA向導，它們與蛋白質的RNA結合部分相互作用。有些蛋白的RNA結合區域與DNA切割部分相鄰。另一些似乎與其他蛋白質結合，這表明它們可能有助于將這些蛋白引導至DNA靶點。
研究人員對數十種Tas蛋白進行了分析，證明有些蛋白質可以被編程，在人體細胞中對DNA進行定向切割。由于他們考慮將TIGR-Tas系統開發為可編程工具，這些特征的存在可以使這些工具變得更加靈活和精確。
他們指出，CRISPR系統只能被引導至兩側有PAM短序列的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白沒有這樣的要求。“這意味著從理論上講，基因組中的任何位點都可以被靶向，”科學顧問Rhiannon Macrae說。
實驗還表明，TIGR系統具有“雙重引導系統”，與DNA雙螺旋的兩條鏈相互作用以鎖定其目標序列，這能確保它們只在RNA引導的位置上發揮作用。此外，Tas蛋白體積小巧，平均只有Cas9大小的四分之一，這使得它們更容易遞送，這有望克服基因編輯工具在治療方面的一個主要障礙。
張鋒團隊對這項新發現感到興奮，他們目前正在研究TIGR系統在病毒中的天然作用，以及如何將它們用于研究或治療。他們已經確定了一種在人類細胞中起作用的Tas蛋白的分子結構，并將利用這些信息來指導他們的工作，使其更加有效。
參考資料
[1] TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses
摘要：Broad研究所張鋒教授領導的研究團隊近日擴大了基因組編輯的工具箱。
Broad研究所張鋒教授領導的研究團隊近日擴大了基因組編輯的工具箱。他們在對自然多樣性進行深入探索后，發現了一些古老的系統。這些被稱為TIGR（串聯間隔向導RNA）的系統在向導RNA的引導下到達DNA上的特定位點。
TIGR系統可以重編程，以靶向任何感興趣的DNA序列，并且它們具有不同的功能模塊，可以對靶向的DNA發揮作用。除了模塊化之外，TIGR系統與CRISPR等系統相比非常小巧，這在治療應用中將是一大優勢。
圖1 TIGR-Tas：原核生物及其病毒中的模塊化RNA引導DNA靶向系統家族這項研究成果于2025年2月27日在線發表于《Science》雜志上。
據張鋒介紹，這是一個用途非常廣泛的系統。研究團隊發現，TIGR相關（Tas）蛋白都有一種特征性的RNA結合組分，能夠與向導RNA相互作用。有些蛋白利用鄰近的DNA切割組分切割該位點上的DNA。這種模塊化有助于工具開發，允許研究人員將一些新功能整合到天然的Tas蛋白中。
“大自然真是不可思議，”張鋒說，他也是麥戈文腦科學研究院的研究員。“它擁有大量的多樣性，我們一直在探索這種自然多樣性，以發現新的生物機制，并將其用于不同的應用，以操縱生物過程。”
此前，張鋒團隊將細菌CRISPR系統改造為基因編輯工具，徹底改變了現代生物學。他的團隊還發現了多種可編程蛋白，既有來自CRISPR系統的，也有其他來源的。
在這項新工作中，為了尋找新的可編程系統，團隊首先鎖定了CRISPR Cas9蛋白的一個結構特征，那就是與向導RNA結合。這是Cas9成為強大工具的關鍵特征。“被RNA引導使得它相對容易重新編程，因為我們知道RNA如何與其他DNA或其他RNA結合，”張鋒解釋道。
他們搜索了數億個已知或預測結構的蛋白質，尋找具有類似結構域的蛋白。為了找到親緣關系更遠的蛋白，他們采用了一個迭代過程：從Cas9開始，他們鑒定出一種名為IS110的蛋白，此前已有研究表明它能夠與RNA結合。他們隨后鎖定IS110的結構特征，并重復搜索。
此時，搜索發現了許多親緣關系很遠的蛋白質，因此團隊需要借助人工智能來梳理這份清單。張鋒實驗室的計算生物學家Guilhem Faure解釋說：“當你進行迭代、深入挖掘時，得到的結果可能是多樣化的，很難用標準的系統發育方法進行分析，因為這些方法依賴于保守序列。”
利用蛋白質大型語言模型，研究團隊根據蛋白質的可能進化關系，將他們發現的蛋白分組。其中一組讓他們印象深刻，因為它們是由帶有規律間隔重復序列的基因編碼的，這讓人聯想到CRISPR系統。至此，他們發現了TIGR-Tas系統。
張鋒及其同事發現了超過20000種不同的Tas蛋白，它們大多存在于感染細菌的病毒中。每個基因重復區域（TIGR陣列）內的序列編碼RNA向導，它們與蛋白質的RNA結合部分相互作用。有些蛋白的RNA結合區域與DNA切割部分相鄰。另一些似乎與其他蛋白質結合，這表明它們可能有助于將這些蛋白引導至DNA靶點。
研究人員對數十種Tas蛋白進行了分析，證明有些蛋白質可以被編程，在人體細胞中對DNA進行定向切割。由于他們考慮將TIGR-Tas系統開發為可編程工具，這些特征的存在可以使這些工具變得更加靈活和精確。
他們指出，CRISPR系統只能被引導至兩側有PAM短序列的DNA片段。相比之下，TIGR-Tas蛋白沒有這樣的要求。“這意味著從理論上講，基因組中的任何位點都可以被靶向，”科學顧問Rhiannon Macrae說。
實驗還表明，TIGR系統具有“雙重引導系統”，與DNA雙螺旋的兩條鏈相互作用以鎖定其目標序列，這能確保它們只在RNA引導的位置上發揮作用。此外，Tas蛋白體積小巧，平均只有Cas9大小的四分之一，這使得它們更容易遞送，這有望克服基因編輯工具在治療方面的一個主要障礙。
張鋒團隊對這項新發現感到興奮，他們目前正在研究TIGR系統在病毒中的天然作用，以及如何將它們用于研究或治療。他們已經確定了一種在人類細胞中起作用的Tas蛋白的分子結構，并將利用這些信息來指導他們的工作，使其更加有效。
參考資料
[1] TIGR-Tas: A family of modular RNA-guided DNA-targeting systems in prokaryotes and their viruses
