在藻类、蜗牛和其他生物体中发现的数千种可编程DNA切割器

从蜗牛到藻类再到变形虫，各种各样的物种都可以制造出名为Fanzors的可编程DNA切割酶 – 麻省理工学院麦戈文脑研究所科学家的一项新研究已经确定了数千种。Fanzors是RNA引导的酶，可以被编程为在特定位点切割DNA，就像为广泛使用的基因编辑系统CRISPR提供动力的细菌酶一样。9月27日发表在《 科学进展》杂志上的新发现的天然范佐酶的多样性为科学家提供了一套广泛的可编程酶，这些酶可以适应研究或医学的新工具。

“RNA引导的生物学可以让你制作出非常易于使用的可编程工具。所以我们能找到的越多越好，“麦戈文研究员奥马尔·阿布达耶（Omar Abudayyeh）说，他与麦戈文研究员乔纳森·古滕伯格（Jonathan Gootenberg）一起领导了这项研究。

CRISPR是一种古老的细菌防御系统，它清楚地表明，当RNA引导的酶适应实验室使用时，它们是多么有用。由麻省理工学院教授和麦戈文研究员Feng Zhang，Abudayyeh，Gootenberg等人开发的基于CRISPR的基因组编辑工具改变了科学家修改DNA的方式，加速了研究并使许多实验性基因疗法的开发成为可能。

此后，研究人员在整个细菌世界中发现了其他RNA引导酶，其中许多具有使它们在实验室中有价值的特征。今年早些时候，张的小组报道了Fanzors的发现，其以RNA引导的方式切割DNA的能力开辟了RNA引导生物学的新领域。Fanzors是在真核生物中发现的第一个此类酶 – 一组广泛的生命形式，包括植物，动物和真菌，由保存每个细胞遗传物质的膜结合核定义。（缺乏细胞核的细菌属于被称为原核生物的群体。

“长期以来，人们一直在原核系统中寻找有趣的工具，我认为这已经取得了令人难以置信的成果，”Gootenberg说。“真核系统实际上只是一种全新的工作游乐场。

Abudayyeh和Gootenberg说，一个希望是，在真核生物中自然进化的酶可能更适合在其他真核生物（包括人类）的细胞中安全有效地发挥作用。Zhang的研究小组已经证明，Fanzor酶可以被工程化来精确切割人类细胞中的特定DNA序列。在这项新工作中，Abudayyeh和Gootenberg发现，即使没有优化，一些Fanzors也可以靶向人类细胞中的DNA序列。“它们在哺乳动物细胞中非常有效地工作的事实真的很棒，”Gootenberg说。

在目前的研究之前，在真核生物中发现了数百个Fanzors。通过对实验室成员Justin Lim领导的基因数据库的广泛搜索，Gootenberg和Abudayyeh的团队现在已经将这些酶的已知多样性扩大了一个数量级。

在该团队在真核生物和感染它们的病毒中发现的3,600多个Fanzors中，研究人员能够识别出五种不同的酶家族。通过比较这些酶的精确组成，他们发现了漫长进化历史的证据。

Fanzors可能是从RNA引导的称为TnpB的DNA切割细菌酶进化而来的。事实上，正是Fanzors与这些细菌酶的遗传相似性首先引起了Zhang的团队以及Gootenberg和Abudayyeh团队的注意。

Gootenberg和Abudayyeh追踪的进化联系表明，Fanzors的这些细菌前辈可能不止一次进入真核细胞，启动了它们的进化。有些可能是由病毒传播的，而另一些可能是由共生细菌引入的。该研究还表明，在它们被真核生物吸收后，这些酶进化出适合其新环境的特征，例如允许它们进入细胞核的信号，在那里它们可以访问DNA。

通过由生物工程研究生Kaiyi Jiang领导的遗传和生化实验，研究小组确定Fanzors已经进化出一种与细菌前辈不同的DNA切割活性位点。这似乎允许酶更精确地切割其靶序列 当靶向试管中的DNA序列时，TnpB的祖先被激活并切割管中的其他序列;粉丝缺乏这种滥交活动。当他们使用RNA向导指导酶切割人类细胞基因组中的特定位点时，他们发现某些Fanzors能够以约10%至20%的效率切割这些靶序列。

随着进一步的研究，Abudayyeh和Gootenberg希望可以从Fanzors开发各种复杂的基因组编辑工具。“这是一个新平台，他们有很多功能，”Gootenberg说。

“向这些类型的RNA引导系统开放整个真核世界将给我们很多工作，”Abudayyeh补充道。