蛋白,基因编辑的新工具?

作者: 王承志

来源: 知识分子

发布日期: 2019-08-13

中科院动物研究所王皓毅团队和中科院北京生命科学研究院赵方庆团队的最新研究报道了两种来自人类胃肠道细菌的Argonaute(Ago)蛋白,它们可以在生理温度下在DNA引导下实现对DNA单链和双链的切割。这一发现引发了关于Ago蛋白是否具有作为基因编辑工具潜力的讨论,并与当前的CRISPR系统进行了比较。

2019年7月30日,《细胞发现》杂志在线发表了中科院动物研究所王皓毅团队和中科院北京生命科学研究院赵方庆团队的最新研究,报道了两种来自人类胃肠道细菌的Argonaute(Ago)蛋白,它们可以在生理温度(37℃)下在DNA引导下实现对DNA单链和双链的切割。这引发了人们的一系列问题:Ago是否具有作为基因编辑工具的潜力?与目前当红的基因编辑工具CRISPR相比效果如何?

这与曾经备受关注的韩春雨声称的NgAgo可做基因编辑工作有什么联系?

Argonaute蛋白是一类DNA或RNA介导的核酸内切酶。之前曾有研究表明,一些原核嗜热菌的同源Ago蛋白能够在DNA链引导的条件下切割DNA,可能有发展为基因编辑工具的潜力。但这些酶只能在65°C以上的高温环境下工作,因此寻找在常温下工作的Ago蛋白是一项有吸引力的任务。王皓毅团队和赵方庆团队将目光聚焦到人的肠道菌群。

和之前报道的嗜热菌不同,这些细菌在人体中生活,因此它们的酶也应该在生理温度下有活性。通过PFAM隐马可夫模型来识别已发表的人类肠道菌群中可能的Ago蛋白,研究人员发现来源于Clostridium perfringens的CpAgo蛋白和来源于Intestinibacter bartlettii的IbAgo蛋白在PIWI结构域中具有保守的催化四分体,提示它们可以具有催化活性。

通过酶学实验,研究人员发现这两种Ago蛋白的确具有在DNA引导下进行DNA切割的能力。进一步的研究发现这两种Ago有一定的序列和结构偏好性,例如富集AT的DNA链相比富集GC的DNA链更容易被它们切割,具有超螺旋结构的DNA能够被切割,而线性化的DNA双链片段则不行。相较于已经日趋成熟的CRISPR基因编辑系统,Ago蛋白具有DNA介导,且蛋白分子小的优势。

因此,寻找能在常温下进行基因编辑的Ago蛋白一直是领域里的一个研究方向。2016年,河北科技大学的韩春雨课题组在《自然·生物技术》杂志发表论文,报道在格氏嗜盐碱杆菌找到了一种能在生理温度下,在真核细胞内进行基因编辑的Ago蛋白,简称为NgAgo。但其后由于没有实验室能够重复出该结果,韩春雨课题组撤回了该论文。

此后,陆续有研究报道NgAgo能够在大肠杆菌中增强同源重组,以及在斑马鱼中可以调低基因的表达,但迄今尚无证据证明其在真核细胞中的基因编辑能力。那么,Ago蛋白是否有成为基因编辑工具的潜力?《细胞发现》一文的通讯作者王皓毅介绍说,他的课题组一直在尝试CpAgo和IbAgo在真核细胞内的基因编辑活性,但目前还没有得到阳性的结果。

另外,正如论文中所描述的,CpAgo和IbAgo具有一定序列和拓扑结构的偏好性,这可能是由于这些Ago蛋白并没有解旋酶的活性。因此,王皓毅认为,目前的两个Ago蛋白只是在体外表现出一定的切割DNA的活性,很难与已经非常高效的CRISPR相比较。

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