《Nature | 桥式 RNA 引导重组的结构机制》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-06-29
  • 2024年6月26日,Arc研究所的 Patrick Hsu 等人在 Nature 期刊发表了题为Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination的文章。该研究利用冷冻电镜解析了IS110重组酶与其桥RNA、靶DNA和供体DNA复合体的结构,进而详细揭示了其作用机制。

    插入序列(IS)元件是在原核基因组中发现的最简单的自主转座元件,IS110家族元件编码一种重组酶和一种非编码桥RNA(Bridge RNA),该研究报告了IS110重组酶与其桥RNA、目标DNA和供体DNA在重组反应周期的三个不同阶段的冷冻电镜结构。对这三种结构的比较揭示了以下过程:1)目标和供体DNA的顶端链在复合活性位点处被切割,形成共价5'-磷酸丝氨酸中间体;2)切割的DNA链交换并重新连接形成Holliday junction中间体;3)随后通过切割底端链来解离中间体。

    总的来说,这项研究揭示了双特异性RNA如何赋予IS110重组酶对目标和供体DNA的特异性,以实现可编程的DNA重组。

  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41586-024-07570-2
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    • 2024年6月26日,Arc研究所的 Patrick Hsu 等人在 Nature 期刊发表了题为Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA的文章。 在这篇论文中,研究团队描述了一种将可编程重组酶用于基因编辑的技术。这些重组酶由RNA引导,RNA则作为引导重组酶靶向位点和促进预选编辑的“桥”(Bridge)。这个RNA桥含有一个指定供体DNA序列的区域以及另一个指定基因组插入位点的区域。这两个区域都能通过独立重编程识别并结合不同的DNA序列或插入位点,并对不同类型的DNA重排使用一种通用机制。这个桥RNA比使用常规重组酶的现有基因编辑技术更易修饰,现有基因编辑技术需利用更复杂的蛋白质-DNA结合位点。 进化已经赋予了大量的酶来完成基因组重排和多样化的任务。这一过程使得新基因的出现和功能特化成为可能,并促进了免疫系统的发展以及病毒和可移动遗传元件(MGE)的机会性传播。MGE存在于所有生命形式中,通常通过转座酶、整合酶、归巢内切酶或重组酶进行移动。这些酶通常通过蛋白质-DNA相互作用识别DNA,可以根据其目标序列特异性进行广泛分类,范围从位点特异性(例如Cre酶、Bxb1重组酶)到半随机(例如Tn5酶和PiggyBac转座酶)。 插入序列(IS)元件是最基本的自主型可移动遗传元件之一,在细菌和古细菌中广泛存在。许多已鉴定的IS元件使用一种自编码的转座酶,通过蛋白质-DNA相互作用识别末端反向重复序列(TIR)。根据其同源性、结构和转座机制,IS元件已被分为约28个家族,但它们可以根据编码转座酶的保守催化残基进行粗略分类,这些包括DDE、DEDD和HUH转座酶,以及较少见的丝氨酸转座酶或酪氨酸转座酶。IS110家族元件是剪切-粘贴型可移动遗传元件,它们在转座机制中无痕地从基因组中切除自己,并生成环状形式。鉴于这一机制和生命周期,IS110转座酶更准确地可被描述为重组酶。虽然在其他IS家族中也发现了环状中间体,但IS110是唯一使用DEDD催化结构域的重组酶家族。IS110元件通常缺乏TIR,似乎以序列特异性的方式整合,通常针对微生物基因组中的重复序列。尽管IS110元件的DNA识别和重组机制尚不清楚,但之前的研究表明,位于重组酶ORF两侧的非编码区控制着重组酶的表达。 该研究显示,IS110编码一个重组酶和一个非编码的桥RNA(bridge RNA),桥RNA能够特异性地与编码的重组酶结合。这种桥RNA包含两个内部环状结构,编码核苷酸序列,能够与目标DNA和供体DNA(即IS110元件本身)配对。该研究进一步证明,靶向结合环和供体结合环可以独立地重编程,以指导两个DNA分子之间的特定序列重组。这种模块化特性使DNA能够插入到基因组目标位点,并能够进行可编程的DNA切除和逆转录。IS110桥重组系统将核酸引导系统的多样性扩展到了CRISPR和RNAi之外,提供了一种统一的机制,用于执行三种基本的DNA重排操作——插入、删除和倒位,这些操作对于基因组设计至关重要。 总的来说,该研究表明,桥RNA这种模块化特性,使得通过序列特异性的插入、倒位或删除的DNA重排机制得以通用化,从而提出了一种全新的基因组编辑技术。
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