麻省理工学院霍华德•休斯医学研究所的Altae Tran等报告了一个尚未开发的大型可编程DNA切割酶资源，扩展了基因组编辑工具箱。
在过去十年中，CRISPR革命动摇了分子生物学和生物医学领域。CRISPR-Cas系统是一种保护细菌免受病毒感染的防御机制，它以高度精确和可编程的方式切割特定序列的DNA。这一特性使研究人员能够利用CRISPR-Cas进行基因组编辑，这是治疗以前被认为无法治愈的遗传疾病的一个有希望的进展。
由于CRISPR-Cas基因组编辑工具并非没有缺陷，因此人们付出了巨大的努力来寻找生物技术和临床需要的其他编辑酶。麻省理工学院霍华德•休斯医学研究所的Altae Tran等报告了一个尚未开发的大型可编程DNA切割酶资源，扩展了基因组编辑工具箱。
基因组编辑应用中使用最广泛的CRISPR-Cas酶是Cas9。它由一个特定的“引导RNA”引导，以切割与RNA序列互补的DNA。因此，只要为Cas9提供一个定制的引导RNA来切割所选择的DNA序列，Cas9就可以被重新用作一个可编程的分子剪刀。但是Cas9作为一种分子工具存在一些缺陷。
它的大尺寸使得向靶细胞的递送具有挑战性。此外，Cas9需要一个称为原间隔相邻基序（protospacer adjacent motif, PAM）的短序列出现在目标DNA分子的特定位置，使得某些基因无法编辑。因此，许多研究试图确定更小、性能更好的Cas9替代品。
Altae Tran等报告了一个在细菌基因组中编码的RNA引导核酸酶的未开发资源。这一发现是由一个最初与任何生物技术应用无关的“基础研究”问题引发的：Cas9的进化起源是什么？在细菌和古细菌细胞中，Cas9作为一种抗病毒酶发挥作用，由其引导RNA编程，以破坏入侵病毒的DNA。但是，最近的一项计算分析表明Cas9是从一个叫做IscB的转座子蛋白家族进化而来的。转座子是自私的遗传因子，可以自我复制并将其拷贝插入基因组中的其他位置，而含有IscB的转座子在细菌基因组中很常见。Altae Tran等观察到，IscB蛋白偶尔可以在CRISPR阵列附近发现，CRISPR阵列是编码在CRISPR-Cas系统中运行的短引导RNA的基因组位点。这一关联促使作者检验IscB是否能像Cas9一样利用这些短引导RNA来介导互补DNA序列的切割——他们通过实验验证了这一假设。这些发现表明一些Cas9的祖先已经是RNA引导的核酸酶。
尽管如此，绝大多数IscB同源物并不位于CRISPR阵列附近。如果所有IscB蛋白都是RNA引导的核酸酶，那么在没有CRISPR阵列的情况下，什么会引导IscB？通过检查大量的IscB基因座，Altae Tran等发现它们编码iscB基因旁边的“隐藏”引导RNA，他们将其命名为omega RNA（ωRNA）。作者表明，ωRNA引导许多IscB蛋白切割互补DNA，并且可以通过选择序列替换ωRNA的特定部分来重新编程切割。他们还证明了IscB（一个称为IsrB的蛋白质家族）祖先的类似活动，从而解决了Cas9蛋白质家族的进化史（图1，见P34）。
尽管CRISPR-Cas9的抗病毒作用已被证实，但IscB的生物学功能仍然是一个尚未解决的难题。与来自CRISPR阵列的RNA相反，ωRNA很少靶向病毒DNA，排除在抗病毒免疫中的作用。目前的假设假定这些转座子编码的RNA引导核酸酶可能参与转座或在转座子的维持中发挥作用。
转座子驻留基因可以编码RNA引导核酸酶的发现被证明是探索转座子编码核酸酶的一个切入点。Altae Tran等发现，转座子编码核酸酶的另一个家族TnpB也是RNA引导的。这一发现非常重要，主要原因有两个。TnpB可能是Cas12的进化祖先，Cas12是另一种用于基因组编辑和诊断目的的CRISPR核酸酶。迄今为止，在微生物基因组中已鉴定出超过100万个同源物，TnpB是最丰富的原核基因家族之一，这表明RNA引导的核酸酶活性比先前设想的要普遍得多。
总之，IscB和TnpB蛋白质家族代表了可编程酶的巨大集合，可用于基因编辑。它们在序列、蛋白质大小和PAM样基序要求上的多样性应该使它们成为分子工具箱中一个宝贵的补充。作为概念证明，Altae Tran等证明人类细胞中的DNA可以通过IscB蛋白质进行编辑。
长期以来被认为是基因组垃圾的转座子现在正成为适应性免疫系统进化的关键组成部分。众所周知，称为Transib的转座子产生了V(D)J重组系统，该系统在脊椎动物中产生多样性的免疫球蛋白，现在很清楚，转座子产生了原核生物的CRISPR-Cas适应性免疫系统。由于转座子的高度多样化，并且可能已经与细菌基因组关联了数十亿年，因此它们不太可能有助于其他免疫系统的进化，为未来的研究开辟了有吸引力的途径。
参考文献：Rousset F, Sorek R. A treasure trove of molecular scissors[J]. Science,2021, 374:37-38.