Nature：轉座子編碼的核酸酶利用向導RNA促進轉座子自身的傳播

　　基因組工程可能是醫學的未來，但它依賴于數十億年前在原始細菌中取得的進化進步，而原始細菌是最初的基因編輯大師。科學家們對這些古老的基因編輯系統進行改造，推動它們完成更加復雜的基因編輯任務。然而，要發現新工具，有時需要回顧過去，了解細菌最初如何創建原始的基因編輯系統，以及構建的原因。

　　在一項新的研究中，美國哥倫比亞大學的Sam Sternberg和他的博士后Chance Meers博士回顧了CRISPR-Cas9的前身---它們潛伏在所謂的“跳躍基因（jumping gene）”中---以揭示CRISPR的DNA剪刀是如何進化的。他們的發現揭示了數千種新發現的DNA剪刀是如何工作的，以及如何將它們設計成新的基因組工程技術。相關研究結果近期發表在Nature期刊上，論文標題為“Transposon-encoded nucleases use guide RNAs to promote their selfish spread”。

　　CRISPR-Cas9 來自跳躍基因

　　在細菌體內，CRISPR-Cas9 在保護細胞免受病毒感染方面發揮著至關重要的作用。在向導RNA（gRNA）的幫助下，這些分子剪刀首先識別入侵病毒的 DNA，然后切割病毒基因組。

　　幾年前，科學家們將CRISPR-Cas9的起源追溯到轉座子（transposon）。轉座子是一種可移動的遺傳因子，也被稱為跳躍基因，通過一種稱為轉座的神秘過程，從基因組中的一個位置跳到另一個位置。

　　Sternberg說，“我們實驗室研究的許多生物課題都是在一種生命形式從另一種生命形式中竊取基因時產生的---例如，細菌從病毒、質粒或轉座子等可移動的遺傳因子中竊取基因，然后這些基因被重新利用來執行類似的生化反應，但功能完全不同。”

　　這種轉座子關聯性很快讓人們發現了一個潛在的新編輯工具寶庫：成千上萬個古老的轉座子仍然活躍在細菌基因組中，每個轉座子都攜帶一種RNA引導的DNA核酸酶，基因組工程師（人類）可能對這些DNA核酸酶進行編程以便切割DNA。

　　基因組工程師們現在正致力于利用這些系統，但對Sternberg和Meers來說，一個重要的問題仍未得到解答。

　　對IscB和TnpB同源物的生物信息學分析。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06597-1。

　　Meers說，“這些轉座子在它們自己的酶---稱為轉座酶---的幫助下跳進跳出基因組。它們不需要 DNA 剪刀，也不需要g RNA。那么，它們為什么攜帶 RNA 引導的 DNA 剪刀的基因呢？”

　　沒有DNA剪刀，轉座子就會滅絕

　　這是一個難以破解的難題。Meers解決的第一個難題是找到合適的具有許多活性轉座子拷貝的細菌，并將其作為模型系統。實驗室中常見的大腸桿菌并不是最好的起點，因此Meers選擇了嗜熱脂肪地芽孢桿菌（Geobacillus stearothermophilus），這是一種嗜熱細菌，擁有數十個活躍的跳躍基因。

　　Meers還從轉座子的角度研究了這個問題，開發出了功能強大的檢測方法，可以捕捉到在細菌基因組中移動、在質粒中跳進跳出以及從一種細菌菌株跳到另一種細菌菌株的過程中的跳躍基因。Sternberg說，“如果沒有這種方法，你最終只能孤立地研究這些DNA剪刀，而無法從整體上了解整個故事。”

　　有了這些檢測方法，Meers 和 Sternberg 在實驗室同事們的幫助下，深入研究了轉座子的移動方式，結果表明，如果沒有這些DNA 剪刀，跳躍基因可以跳到新的位置，但很容易迅速滅絕。（細菌不斷試圖使包括轉座子在內的可移動遺傳因子失活。）

　　這些類似于CRISPR的分子剪刀在切割DNA后，引導轉座子的拷貝回到它跳躍的位置，從而防止了基因滅絕。

　　Meers說，“通過這種‘剪切和復制’策略，轉座子的增殖速度可以超過它的永久消失的速度。實際上，自然界最強大的基因組編輯器最初是為了將自己編輯到基因組中，自私地促進它們自己的傳播。”

　　還能找到更多版本的CRISPR嗎？

　　由于CRISPR-Cas是由細菌王國中成千上萬個拷貝的轉座子進化而來的，因此大自然很可能已經從這些強大的轉座子基因中創造出了其他的等待著人們去發現的系統。

　　Sternberg說，“很難相信，進化到CRISPR-Cas基因后，就不再發明分子剪刀了。肯定還有其他系統在起作用，如果我們找到了它們，或許也能借用這些基因，并將它們用于另一個目的：對人類細胞基因組進行改造。