基因編輯，這個出現在高中課本中的名詞，它的原理簡單易懂：透過核酸內切酶實作對基因組特定基因序列的敲除、插入或精確修飾。近期科學家們又找到了一把能夠開啟基因編輯世界大門的鑰匙：RNA指導的重組酶。這個工具不僅有可能改變基因編輯的「遊戲規則」，還可能為我們未來的生物技術帶來驚人的突破。
RNA的神秘力量：基因編輯的「超級英雄」
基因組編輯就像是在編寫一本巨大的生命手冊，而RNA就是那位巧妙的編寫者。傳統的基因編輯工具，如CRISPR-Cas9（一種基因編輯工具，透過RNA引導的Cas9酶精確地切割DNA），就像是一把鋒利的剪刀，可以精確地剪下特定的DNA序列。然而，RNA指導的重組酶則是更進一步的「超級英雄」，它們不僅可以剪下，還能插入、倒位或刪除更長的DNA序列——這就像是能操控整個生命篇章的魔法師。
2024年6月，一項研究揭示了RNA指導的重組酶的新特性，這些酶可以透過一種稱為「橋RNA」（bRNA）的特殊工具，在基因組的指定位置精確地插入或刪除DNA序列。bRNA像是這些重組酶的GPS導航系統，指引它們到達特定的「目的地」。
想象一下，這些重組酶就像是一群受過專業培訓的修理工，而bRNA則是他們的圖紙和指南，確保每個修補工作都能準確無誤地完成。
常規酶和橋式重組酶的比較
（圖片來源：參考文獻1）
新的發現：探險家的偉大旅程
科學家的每一次研究就像是一場激動人心的探險旅程，他們發現IS110元件（一類短的移動遺傳元件，可以在細菌基因組中移動，透過插入基因或調控區域，引起基因突變、失活或調控改變）不僅編碼重組酶，還攜帶了一種非編碼RNA，即橋RNA（bRNA），這一發現猶如在荒野中找到了一張通往寶藏的地圖。
bRNA透過兩個獨立的環結構來實作其功能：供體結合環（DBL）辨識供體DNA，而靶點結合環（TBL）則辨識靶點DNA。這種雙環結構使得bRNA可以精確地指導重組酶在基因組中進行各種操作，如插入、倒位或刪除DNA序列。
更令人興奮的是，這些環結構可以獨立設計，賦予重組酶前所未有的靈活性。這就像是給了探險家們一套萬能工具，無論面對何種地形，他們都能找到通往目標的最佳路徑。此外，他們還透過計算辨識了其他IS110和IS1111元件中的bRNA，這意味著這種工具不僅限於一種重組酶，而是一個龐大的家族，各具特色，潛力無窮。
左：bRNA的結構圖，右：bRNA與同源靶和供體DNA的堿基配對模型
（圖片來源：參考文獻5）
DNA的神奇舞蹈：從分子到大工程
為了搞清楚這些重組酶和bRNA如何協同工作，科學家們進行了詳細的結構研究。就像是給我們展示了一場分子級別的芭蕾舞表演，科學家們透過高分辨率結構解析揭示了這些酶在DNA重排反應中的動作細節。
在這個舞蹈中，DBL（供體結合環）和TBL（靶點結合環）是舞者的兩只腳，分別負責與dDNA（供體DNA）和tDNA（靶點DNA）配對。而重組酶的活性位點就像是舞台上的焦點，負責執行精準的剪下動作。
研究還揭示了重組酶中的疏水胺基酸如何使DNA雙鏈不穩定（不穩定指的是DNA雙鏈的結構變得不夠緊密或穩定，可能導致雙鏈部份的解開或局部的變性），從而幫助bRNA辨識目標。科學家們甚至比喻說，這些胺基酸就像是讓舞台上的燈光閃爍，讓重組酶的動作更加迷人和準確。
bRNA-dDNA-tDNA復合物的結構
（圖片來源：參考文獻3）
挑戰與希望：從實驗室到現實
盡管這些研究成果令人振奮，但當前的研究主要集中在體外實驗和大腸桿菌中，像是在一個受控的實驗室舞台上進行排練。我們還不確定這些可編程的重組酶能否在其他更復雜的生物體中發揮同樣的作用。
不過，科學家們對這些RNA指導的重組酶的套用充滿期待。想象一下，如果我們能夠在哺乳動物細胞中實作同樣的精確基因編輯，這將為醫學研究和治療帶來怎樣的變革？正如CRISPR-Cas系統在多種生物體中展現了它的強大功能，我們有理由相信，經過進一步的最佳化和工程改造，RNA指導的重組酶也能在更復雜的生物系統中大顯身手，在哺乳動物細胞中展現它們的威力。
結語
RNA指導的重組酶為基因組編輯開辟了新的篇章。這些工具不僅提高了編輯的效率和特異性，還展示了令人驚嘆的精準度和靈活性。這些研究不僅為基因組編輯領域帶來了令人激動的新進展，還激勵了科學家們繼續探索其他RNA的可編程功能。讓我們拭目以待，期待發現更多有趣的生物工具，填補基礎生物學與強大生物技術工具之間的空白。
參考文獻：
1. Connor J. Tou & Benjamin P. Kleinstiver. Programmable RNA-guided enzymes for next-generation genome editing.
2. Durrant, M.G., Perry, N.T., Pai, J.J. et al. Bridge RNAs direct programmable recombination of target and donor DNA. Nature 630, 984–993 (2024).
3. Hiraizumi, M., Perry, N.T., Durrant, M.G. et al. Structural mechanism of bridge RNA-guided recombination. Nature 630, 994–1002(2024).
出品：科普中國
作者：楊昌佳漣（中國科學院微生物研究所）
監制：中國科普博覽
