张锋最新Nature论文：解析新型基因编辑工具IsrB的结构及切割DNA机制

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撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在过去十年里，基于CRISPR的基因编辑技术得到了快速发展，并被成功应用放到了人体临床试验中已治疗遗传疾病和癌症。与此同时，全世界的科学家们也在不断挖掘新的具有基因编辑潜力的新工具，以解决现有基因编辑工具尺寸太大、脱靶性等问题。

2021年9月，张锋团队在 Science 期刊发表论文【1】，发现了一类广泛的转座子编码的RNA引导核酸酶，并将其命名为OMEGA系统（包括IscB、IsrB、Tnp8）。该研究还发现，OMEGA 系统使用一段RNA来指导切割DNA双链，即ωRNA。更重要的是，这些核酸酶很小，仅为Cas9的大约30%，这意味着它们可能更容易被递送到细胞中。

张锋表示，对这些广泛存在的可编程核酸酶的发现感到非常兴奋，原来它们一直隐藏在我们鼻子底下。这些发现也提示了我们，还有更多的可编程核酸酶等待着发现和进一步开发。

2022年10月12日，张锋团队在 Nature 期刊发表了题为：Structure of the OMEGA nickase IsrB in complex with ωRNA and target DNA 的研究论文【2】。

该研究进一步解析了OMEGA系统中的IsrB-ωRNA和靶DNA的复合物的冷冻电镜结构。

IscB是Cas9的祖先，而IsrB是IscB的缺少HNH核酸酶结构域的同系物，因此尺寸更小，仅有约350个氨基酸，这些系统结构的解析阐明了IsrB-ωRNA是如何共同识别并切割靶DNA的，也为进一步开发和工程化改造这一小型化核酸酶提供了基础。

RNA引导的IsrB是转座子IS200/IS605超家族编码的OMEGA家族成员，从系统发育分析和共享的独特结构域来看，IsrB很可能是IscB的前身，而IscB是Cas9的祖先。

2022年5月，美国康奈尔大学可爱龙实验室在 Science 期刊发表论文【3】，解析了IscB-ωRNA的结构及其切割DNA的机制。

与IscB和Cas9相比，IsrB缺少HNH核酸酶结构域、REC lobe和大部分PAM序列相互作用域，因此，IsrB要比Cas9小得多（仅约为350个氨基酸）。然而，IsrB较小的体积被一个相对较大的向导RNA所平衡（其ωRNA长约300nt）。

IsrB

张锋团队解析了来自湿热厌氧菌 Desulfovirgula thermocuniculi 的IsrB（DtIsrB）及其ωRNA和靶DNA的复合物的冷冻电镜结构。结构解析显示，IsrB蛋白的整体结构与Cas9蛋白共享一个骨架结构。

但不同的是，Cas9使用REC lobe来促进对靶标的识别，而IsrB则依赖于它的ωRNA，ωRNA的一部分形成了一个复杂的三维结构，起到了类似于REC的作用。

IsrB -ωRNA-DNA复合体结构

为了更好地理解IsrB和Cas9从RuvC进化过程中的结构变化，张锋团队比较了来自嗜热栖热菌（Thermus thermophilus）的RuvC（TtRuvC）、IsrB、CjCas9和SpCas9的与靶DNA结合的结构。

RuvC-IsrB-Cas9的结构进化

对IsrB及其ωRNA的结构分析，阐明了IsrB-ωRNA是如何共同识别并切割靶DNA的，也为进一步开发和工程化改造这一小型化核酸酶提供了基础。与其他RNA导向的系统的比较，突出了蛋白质和RNA之间的功能相互作用，促进了我们对这些不同系统的生物学和进化的理解。

论文链接：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6856

2.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7220

3.https://www.nature.com/articles/s41586-022-05324-6

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