Tiny TnpB：揭开植物的下一代基因组编辑工具的面纱
基因组编辑是当今最具变革性的科学突破之一。它使我们能够深入研究生命的密码并进行精确的修改。想象一下，能够改写决定生物体几乎所有特征的遗传指令——它的外观、行为、与环境的互动以及其独特特征。这就是基因组编辑的力量。我们使用基因组编辑工具来调整微生物、动物和植物的基因序列。我们的目标是？开发所需的特性并消除不需要的特性。这项技术的影响已波及生物技术、人类治疗学和农业领域，带来了快速的进步和解决方案。
基因组编辑中最广泛使用的蛋白质是 Cas9 和 Cas12a。这些蛋白质就像遗传世界的剪刀，使我们能够剪切和编辑 DNA。然而，它们非常笨重，由 1,000-1,350 个氨基酸组成。碱基编辑和主要编辑等高级编辑技术需要将其他蛋白质与 Cas9 和 Cas12a 融合，从而使它们变得更加笨重。这种笨重性对于将这些蛋白质有效地递送到遗传物质所在的细胞中提出了挑战。
但现在，我们有一个令人兴奋的进展——一种有望克服这一限制的微型替代品。在我们最近发表在《植物生物技术杂志》上的文章中，我们介绍了 TnpB，这是一种更小但非常有效的植物基因组编辑下一代工具。
TnpBs 是 Cas12 核酸酶的微小祖先
TnpB 蛋白是 RNA 引导的转座子相关核酸酶。它们被认为是 Cas12 核酸酶的进化祖先。尽管 TnpB 在功能上与 Cas12a 相似，但它更紧凑，总氨基酸数量在 350-500 之间。从某个角度来看，TnpB 的大小是 Cas9 和 Cas12a 的三分之一。如果说 Cas9 和 Cas12a 就像足球，那么 TnpB 就像棒球。
我们利用来自耐辐射奇球菌的 TnpB 核酸酶开发了一种超紧凑基因组编辑器。这种细菌以其在极端环境中生存的能力和对辐射的卓越抵抗力而闻名。我们的 TnpB 源自耐辐射奇球菌，长度仅为 408 个氨基酸。
一个短 RNA 充当 TnpB 的向导，将其引导至目标 DNA 序列。在这种 RNA 的引导下，TnpB 会与目标结合并切割 DNA 的两条链。当细胞重新封住断裂的末端时，可能会无意中发生 DNA 字母的插入或删除。这些插入或删除会导致基因序列的修改。
存在额外的特异性水平：目标序列必须与转座子相关基序 (TAM) 序列相邻。此 TAM 类似于 Cas9 和 Cas12 的 PAM 序列。对于来自 D. radiodurans 的 TnpB，特定 TAM 是 TTGAT，它必须存在于目标序列的上游。从这个意义上讲，TnpB 可以访问 Cas9 无法到达的基因组位点。
重新利用TnpB进行植物基因组编辑
我们首先对 TnpB 蛋白的序列进行了密码子优化，以开发用于植物系统的基因组编辑器。我们还优化了调控元件的组合，以产生足够的向导 RNA，从而实现高效的植物基因组编辑。通过在水稻原生质体中测试四种不同版本的基因组编辑载体系统，我们确定了最有效的版本。
水稻是单子叶植物，在单子叶植物中效果良好的系统在双子叶植物中可能效果不佳。因此，我们生成了双子叶植物特异性 TnpB 载体，并证明了在拟南芥中成功进行了编辑。有趣的是，我们观察到缺失大多发生在水稻和拟南芥的目标位点。这使得 TnpB 适合有效破坏基因功能。TnpB 现在可用于引入基因突变以破坏不需要的基因，从而去除抗营养因子、提高营养含量、生物和非生物胁迫抗性等。
用于基因激活和单 DNA 字母交换的死亡 TnpB
虽然 TnpB 的天然形式可充当可编程剪刀，但它也可以用于招募激活基因的因子。通过使其切割能力失活，我们开发了失活的 TnpB (dTnpB)。dTnpB 保留了与向导 RNA 指定的目标 DNA 结合的能力。然后，我们将 dTnpB 与其他货物蛋白融合，将它们引导至目标基因，使这些基因更加活跃。这种激活工具可以增强基因功能，为未来创造更好的作物铺平道路。
同样，我们将另一种货物蛋白与 dTnpB 融合，开发出一种能够将一个 DNA 字母换成另一个的工具。这种精确的工具将通过以单字母分辨率改变遗传密码来实现作物创新。
我们正在利用这种微型基因组编辑器来培育产量更高、气候适应性更强的水稻。我们的研究强调 TnpB 是一种用途广泛且前景广阔的植物基因组工程工具。我们预计植物生物学家、生物技术专家和育种家将采用 TnpB 来处理各种作物。
本报道是Science X Dialog的一部分，研究人员可以在此报告其已发表研究论文的发现。访问此页面可了解有关 Science X Dialog 的信息以及如何参与。
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