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CRISPR新发现:全新的基因编辑工具IscB蛋白

由Broad研究所的张峰领导的一个美国研究小组发现了一类全新的转座子编码的RNA引导的DNA核酸酶,这种酶可以用于人类细胞的基因组编辑,是非常有潜力的生物技术。

研究人员发现了一种名字叫IscB的蛋白,IscB蛋白可能是RNA引导的核酸内切酶Cas9的祖先,是一个独特的IS200/IS605转座子家族中编码的核酸酶。他们的论文发表在周四出版的《科学》杂志上。

研究人员利用进化分析、RNA seq和生化实验,从IS200/IS605转座子重建了CRISPR-Cas9系统的进化,证明IscB蛋白利用单个非编码RNA进行RNA引导的双链DNA切割。


研究人员还对TnpB的RNA引导核酸酶活性进行了实验,TnpB是另一种IS200/605转座子编码的蛋白质,可能是Cas12核酸内切酶的祖先。

这项研究工作揭示了一类广泛的转座子编码的RNA引导核酸酶,他们将其命名为OMEGA,Obligate Mobile Element Guided Activity。

IscB蛋白长约400个氨基酸,结构类似于Cas9蛋白,它包含一个RuvC核酸内切酶结构域,被一个插入的桥螺旋分开,还有一个HNH核酸内切酶结构域。

当研究人员对含有HNH或分开的RuvC内切酶结构域的蛋白质进行全面研究时,他们发现Cas9和IscB是唯一同时含有这两个结构域的蛋白质。

RuvC、BH和HNH组合结构域的聚类和系统发育分析强烈表明,所有现存的CAS9都来自一个单一的祖先IscB。


使用之前建立的PAM发现分析,他们进一步观察到CRISPR相关ISCB是可重编程的RNA引导核酸酶。实验表明,IscB蛋白在功能上至少与CRISPR有一次相关,并且可能在其他情况下,IscB系统更普遍地共享一个核心祖先ncRNA基因,该基因易于进化为CRISPR阵列或独立的反式作用tracrRNA。

研究人员还研究了IscB、Cas9和其他同源蛋白质之间的进化关系,以更广泛地了解RNA引导机制的进化。在寻找含有分裂RuvC结构域的蛋白质时,他们检测到另一组较短的IscB同系物,其长度约为350个氨基酸,也编码在IS200/605超家族转座子中。他们将这些蛋白质命名为IsrB(Insertion sequence RuvC-like OrfB)。

除了IscB和IsrB之外,他们还进一步确定了一个更小(约180个氨基酸)的蛋白质家族,该家族只包含PLMP结构域和HNH结构域,但不包含RuvC结构域,他们将其命名为IshB(Insertion sequence HNH-like OrfB)。

在研究这些蛋白质之间的关系时,他们发现IsrB、IscB和Cas9形成了不同的、强大的分支,这表明这些核酸酶中的每一种都起源于一个独特的进化事件。

此外,他们识别了两组不同的Cas9组。第一种是一种称为II-D的新亚型——一组相对较小的Cas9,约700个氨基酸长,与任何其他已知的cas基因都没有关联。

第二个是II-C亚型内的一个独特分支,包括与tnpA相关的超大Cas9蛋白(超过1700个氨基酸)。


“通过对Cas9进化的探索,我们发现了三种非常丰富、但以前没有被表征的转座子编码核酸酶的可编程RNA引导机制:IscB、IsrB和TnpB,我们统称它们为OMEGA…因为移动元素的定位和移动可能决定了它们的引导者的身份。”作者表示,“尽管OMEGA系统的生物学功能尚不清楚,但有几个假说与现有证据相符,包括促进TnpA催化、RNA引导的转位或作为毒素的作用。”

他们进一步指出,TnpB家族远比IscB家族丰富多样,TnpB可能代表着不仅存在于原核生物中,而且存在于真核生物中的多种RNA引导机制。


参考文献

The widespread IS200/605 transposon family encodes diverse programmable RNA-guided endonucleases


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