来源:学术观察 撰文:nagashi

2020年10月7日,2020年诺贝尔化学奖揭晓,由两位女科学家——Emmanuelle CharpentierJennifer A. Doudna获得,以表彰她们“开发出一种基因组编辑方法”,即CRISPR/Cas9基因编辑技术


基于这项由细菌/古菌的防御系统改造而来的技术,研究人员能以极高精度改变动物、植物和微生物的DNA,并有望更改某些生物的生命周期。然而,值得注意的是,自然界中潜在的基因编辑工具并不止于CRISPR,还有更多的工具仍有待人类开发!


2020年11月5日,以色列魏茨曼科学研究所的研究人员在国际顶尖学术期刊 Cell 上发表了题为:Bacterial Retrons Function In Anti-Phage Defense 的研究论文。


这项研究发现并描述了一种特殊的细菌保护系统——反转录子(retron),它可以通过触发被感染的细菌进行自我毁灭,从而使得噬菌体无法复制并传播给其他细菌。同时,这也是首次具体确定了反转录子(retron)的自然功能,并有望将其开发为精确、高效的基因组编辑工具

反转录子(retron)是细菌的遗传元件,由逆转录酶(RT)和非编码RNA(ncRNA)组成。逆转录酶(RT)以非编码RNA(ncRNA)为模板,生成一个嵌合的RNA/DNA分子,其中RNA和DNA组分共价连接。值得一提的是,虽然反转录子在30年前就被发现了,但它们的许多功能仍然未知


实际上,就像CRISPR一样,反转录子也是细菌免疫系统的一部分——保护细菌免受一种被称作“噬菌体”的病毒的攻击。


近年来,研究人员一直在改造反转录子,并试图将这种由DNA、RNA和蛋白质组成的神秘复合物转化为潜在的、可以用来改变单细胞生物基因组的新型基因编辑工具。

反转录子的组成


在这项研究中,研究团队首次具体证实了反转录子作为抗噬菌体防御系统的功能。研究人员检查了多个反转录子系统,并发现它们可以通过诱发被感染细菌自我毁灭,从而提供一种针对广泛噬菌体的防御机制。


研究人员聚焦于反转录子 Ec48——这是一个在细菌中具有中心抗噬菌体功能的复合体,并发现了它可以保护同源重组蛋白RecBCD的证据。噬菌体蛋白对RecBCD的抑制激活了反转录子,导致流产感染和细胞死亡。


简而言之,如果细菌细胞壁等构造是第一道防线,那么反转录子 Ec48 则形成了第二道防线。当第一道防线崩溃时,则会触发第二道防线。

反转录子保护细菌免受噬菌体侵害

更重要的是,对反转录子自然功能的新理解可以促进它们投入新的应用。对此,本研究的通讯作者Rotem Sorek表示:“反转录子将会是精确、高效的基因组编辑工具,但现在它们还无法与CRISPR匹敌,部分原因是这项技术尚未在哺乳动物细胞中发挥作用。”

那么,反转录子又是如何被发现并被在基因编辑领域寄予厚望呢?


上世纪80年代,研究土壤细菌的研究人员困惑地发现,许多单链DNA短序列散布在细菌的细胞质中。紧接着,研究人员发现每一个DNA片段都会与带有互补碱基序列的RNA相连,这使得他们意识到一种叫做逆转录酶的酶从附着的RNA中合成了DNA,并由此形成了一个由RNA、DNA和酶组成的复合体。


随后科学家们发现这一复合体即是反转录子(retron),且实际上是一种新的、阻止噬菌体感染的细菌防御系统

反转录子实际上是一种新的、阻止噬菌体感染的细菌防御系统


值得注意的是,CRISPR靶向性很强,但到目前为止,它还不太擅长在目标DNA中引入新编码。与之相对,反转录子可以通过逆转录酶制造大量靶标序列的副本,这些副本可以被有效地拼接到宿主基因组中。


因此,如果能将反转录子与CRISPR整合在一起,那么或许能开发出一种全新的、功能更强大的基因编辑工具


实际上,早在2018年,斯坦福大学的 Hunter Fraser 等人就推出了一款基于反转录子的碱基编辑器,名为CRISPEY


CRISPEY原理并不复杂,研究人员首先制造了与酵母基因匹配但带有一个点突变的RNA,然后通过CRISPR-Cas系统靶向该酵母基因。一旦Cas9切断DNA,细胞的DNA修复机制就会用反转录子的逆转录酶产生的DNA取代原来的酵母基因,从而引入新的突变。


基于此,该研究团队通过CRISPEY高效构建了成千上万的酵母突变体,每个突变体只有一个碱基不同。这使得研究人员迅速了解哪些碱基是酵母代谢成长所必需的。

Retron + CRISPR = CRISPEY


无独有偶,由哈佛大学 George Church 和麻省理工学院 Timothy Lu 领导的另外两个研究团第也在细菌中做出了类似的研究,并发表在预印本平台bioRxiv上。
总而言之,这项研究首次具体确定了反转录子(retron)的自然功能——细菌用来抵御噬菌体的防御系统,并可能应用于开发新型基因编辑工具


正如合成生物学家 Anna Simon 所说:“反转录子(retron)可能会像CRISPR一样具有革命性,但在我们对它有更多了解之前,一切还很难说。”


参考资料:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065https://www.sciencemag.org/news/2020/11/microbes-mystery-dna-helps-defeat-viruses-and-has-genome-editing-potential

文末福利:

为了让更多的科研人员及时全面的掌握CRISPR最新技术,获得基因编辑质粒系统。特于2020年12月5日至12月6日在深圳大学丽湖校区举办CRISPR/Cas9基因靶向修饰技术培训班。

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