通过探索 CRISPR 基因组编辑系统中使用的酶的进化起源，研究人员发现了超过 100 万个潜伏在微生物基因组中的其他潜在编辑器。

该研究于 9 月 9 日发表在Science 1 上，在名为 IscB 的蛋白质家族中发现了新的编辑酶。这些蛋白质被认为是酶 Cas9 的祖先——被称为 CRISPR 的分子剪刀。在基因组编辑过程中，Cas9 与 RNA 片段合作，引导酶找到并切割特定的 DNA 序列。该技术对 RNA 作为指导系统的依赖是其多功能性和广泛使用的一个关键原因，因为它允许研究人员轻松地将 Cas9 定位到他们想要改变的基因组区域。

研究主要作者、剑桥麻省理工学院 (MIT) 分子生物学家张锋说，发现其他能够切割 DNA 的 RNA 靶向酶可能会为基因组编辑提供更多工具。 “这些可编程蛋白质非常有用，超出了基本的生物学兴趣，”他说。 “而且这种 RNA 引导的 DNA 识别机制很可能是大自然多次独立创造的。”

尽管研究人员已将其用于基因工程，但 CRISPR 被认为是一种微生物防御系统，它允许细菌和其他称为古细菌的单细胞生物通过发送 Cas9 来咀嚼它们的 DNA 来抵御病毒和其他基因入侵者。计算研究表明，Cas9 可能是从 IscB 家族中的蛋白质进化而来的，这些蛋白质由转座子或“跳跃基因”编码，可以跳到基因组中的新位置。到目前为止，IscB 蛋白的功能还不清楚。

张和他的同事发现，负责编码 IscB 蛋白的 DNA 通常位于一类被他们称为 ωRNA 的 RNA 分子的 DNA 附近。他们还发现，一些 IscB 蛋白可以在由 ωRNA 序列指定的位点切割 DNA，就像 Cas9 及其向导 RNA。

该团队继续研究另一个称为 TnpB 的蛋白质家族，它们被认为是另一种 DNA 切片 CRISPR 相关酶 Cas12 的祖先。他们发现其中一些蛋白质在 ωRNA 的引导下也可以切割 DNA。

意想不到的多样性

麻省理工学院分子生物学家、该研究的共同第一作者 Soumya Kannan 说，数据库搜索发现了超过 100 万个可以携带 TnpB 蛋白代码的基因，一些生物体包含这些基因的 100 多个拷贝。

IscB 基因不仅出现在细菌和古细菌中，还出现在藻类细胞内的捕光叶绿体中。这是第一次在真核生物（细胞含有细胞核的生物群，包括所有植物和动物）中发现这种基因组编辑系统——这一令人惊讶的结果表明它们比以前认为的更广泛。“每次我发表演讲时，人们总是问我是否在真核细胞中看到了 CRISPR 活动，”张说。“现在，我终于可以说'是'了。”

在自然界中，这些基因可以执行各种功能，包括防御或调节其他基因的表达。在实验室中，这一发现可能会产生编辑工具的宝库。张和他的团队发现 IscB 可用于切割人类 DNA，但效率低于流行的 CRISPR-Cas9 系统。但张说 IscB 系统可以改进，并指出 IscB 蛋白的小尺寸可能使其更容易用于某些应用。

对于堪培拉澳大利亚国立大学的遗传学家 Gaetan Burgio 来说，这项研究的真正美妙之处在于它对理解进化的贡献——并最终为像 IscBs 这样庞大而普遍的蛋白质组分配了可能的功能。“这绝对令人着迷，”他说。“它填补了一个重要的空白：我们真的不知道这些 CRISPR 系统是如何变成 CRISPR 的。”