Αυτά τα αρχαία ένζυμα κοπής DNA καθοδηγούνται στους στόχους τους από μικρά κομμάτια RNA. Ενώ προέρχονταν από βακτήρια, τώρα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε ανθρώπινα κύτταρα, υποδηλώνοντας ότι θα μπορούσαν να είναι χρήσιμα στην ανάπτυξη θεραπειών γονιδιακής επεξεργασίας, ιδιαίτερα επειδή είναι μικρές (περίπου το 30 τοις εκατό του μεγέθους του Cas9), καθιστώντας τα ευκολότερα παραδίδουν στα κύτταρα από τα πιο ογκώδη ένζυμα. Η ανακάλυψη, αναφέρθηκε στις 9 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Επιστήμη, παρέχει στοιχεία ότι τα φυσικά ένζυμα που καθοδηγούνται από RNA είναι από τις πιο άφθονες πρωτεΐνες στη Γη, υποδεικνύοντας έναν τεράστιο νέο τομέα βιολογίας που είναι έτοιμος να οδηγήσει την επόμενη επανάσταση στην τεχνολογία επεξεργασίας γονιδιώματος.

Η έρευνα καθοδηγήθηκε από τον McGovern Investigator Φενγκ Ζανγκ, ο οποίος είναι ο καθηγητής Νευροεπιστήμης James και Patricia Poitras στο MIT, ερευνητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Howard Hughes και μέλος του Core Institute του Broad Institute. Η ομάδα του Zhang διερευνά τη φυσική ποικιλομορφία στην αναζήτηση νέων μοριακών συστημάτων που μπορούν να προγραμματιστούν ορθολογικά.

«Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι με την ανακάλυψη αυτών των διαδεδομένων προγραμματιζόμενων ενζύμων, τα οποία κρύβονταν κάτω από τη μύτη μας όλο αυτό το διάστημα», λέει ο Zhang. «Αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν τη συναρπαστική πιθανότητα ότι υπάρχουν πολλά περισσότερα προγραμματιζόμενα συστήματα που περιμένουν την ανακάλυψη και την ανάπτυξη ως χρήσιμες τεχνολογίες».

Φυσική προσαρμογή

Προγραμματιζόμενα ένζυμα, ιδιαίτερα αυτά που χρησιμοποιούν οδηγό RNA, μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα για διαφορετικές χρήσεις. Για παράδειγμα, τα ένζυμα CRISPR χρησιμοποιούν φυσικά έναν οδηγό RNA για να στοχεύσουν ιικούς εισβολείς, αλλά οι βιολόγοι μπορούν να κατευθύνουν το Cas9 σε οποιονδήποτε στόχο δημιουργώντας τον δικό τους οδηγό RNA. «Είναι τόσο εύκολο να αλλάξετε απλώς μια ακολουθία οδηγών και να θέσετε έναν νέο στόχο», λέει η Soumya Kannan, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο ΜΙΤ στη βιολογική μηχανική και συν-πρώτη συγγραφέας της εργασίας. «Επομένως, ένα από τα ευρύτατα ερωτήματα που μας ενδιαφέρουν είναι να προσπαθήσουμε να δούμε αν άλλα φυσικά συστήματα χρησιμοποιούν αυτό το είδος μηχανισμού».

Οι πρώτες ενδείξεις ότι οι πρωτεΐνες OMEGA μπορεί να κατευθύνονται από το RNA προήλθαν από τα γονίδια για πρωτεΐνες που ονομάζονται IscBs. Τα IscBs δεν εμπλέκονται στην ασυλία CRISPR και δεν ήταν γνωστό ότι σχετίζονται με το RNA, αλλά έμοιαζαν με μικρά ένζυμα κοπής DNA. Η ομάδα ανακάλυψε ότι κάθε IscB είχε ένα μικρό RNA κωδικοποιημένο κοντά και κατευθύνει τα ένζυμα IscB να κόψουν συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA. Ονόμασαν αυτά τα RNA «ωRNA».

Τα πειράματα της ομάδας έδειξαν ότι δύο άλλες κατηγορίες μικρών πρωτεϊνών γνωστές ως IsrBs και TnpBs, ένα από τα πιο άφθονα γονίδια στα βακτήρια, χρησιμοποιούν επίσης ωRNA που λειτουργούν ως οδηγοί για να κατευθύνουν τη διάσπαση του DNA.

Τα IscB, IsrB και TnpB βρίσκονται σε κινητά γενετικά στοιχεία που ονομάζονται τρανσποζόνια. Ο Han Altae-Tran, μεταπτυχιακός φοιτητής στη βιολογική μηχανική του MIT και συν-συγγραφέας στο έγγραφο, εξηγεί ότι κάθε φορά που κινούνται αυτά τα τρανσποζόνια, δημιουργούν ένα νέο οδηγό RNA, επιτρέποντας στο ένζυμο που κωδικοποιούν να κοπεί κάπου αλλού.

Δεν είναι σαφές πώς τα βακτήρια επωφελούνται από αυτό το γονιδιωματικό ανακάτεμα - ή αν το κάνουν καθόλου. Τα τρανσπόζον θεωρούνται συχνά ως εγωιστικά κομμάτια DNA, που αφορούν μόνο τη δική τους κινητικότητα και διατήρηση, λέει ο Kannan. Αλλά αν οι οικοδεσπότες μπορούν να «επιλεγούν» αυτά τα συστήματα και να τα επαναχρησιμοποιήσουν, οι οικοδεσπότες μπορεί να αποκτήσουν νέες ικανότητες, όπως με τα συστήματα CRISPR που προσδίδουν προσαρμοστική ασυλία.

Τα IscB και TnpB φαίνεται να είναι προκάτοχοι των συστημάτων Cas9 και Cas12 CRISPR. Η ομάδα υποψιάζεται ότι, μαζί με το IsrB, πιθανότατα δημιούργησαν και άλλα ένζυμα που καθοδηγούνται από RNA-και είναι πρόθυμα να τα βρουν. Είναι περίεργοι για το εύρος των λειτουργιών που μπορεί να εκτελεστούν στη φύση από ένζυμα που καθοδηγούνται από RNA, λέει ο Kannan και υποπτεύονται ότι η εξέλιξη πιθανότατα έχει ήδη εκμεταλλευτεί τα ένζυμα OMEGA όπως IscBs και TnpBs για να λύσει προβλήματα που οι βιολόγοι επιθυμούν να αντιμετωπίσουν.

"Πολλά από τα πράγματα που σκεφτόμαστε μπορεί να υπάρχουν ήδη φυσικά με κάποια ιδιότητα", λέει ο Altae-Tran. "Οι φυσικές εκδόσεις αυτών των τύπων συστημάτων μπορεί να είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης για να προσαρμοστούν για τη συγκεκριμένη εργασία."

Η ομάδα ενδιαφέρεται επίσης να εντοπίσει την εξέλιξη των συστημάτων που καθοδηγούνται από RNA στο παρελθόν. "Η εύρεση όλων αυτών των νέων συστημάτων ρίχνει φως στον τρόπο με τον οποίο έχουν εξελιχθεί τα συστήματα που καθοδηγούνται από RNA, αλλά δεν γνωρίζουμε από πού προέρχεται η ίδια η δραστηριότητα με καθοδήγηση RNA", λέει ο Altae-Tran. Η κατανόηση αυτών των προελεύσεων, λέει, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη ακόμη περισσότερων κατηγοριών προγραμματιζόμενων εργαλείων.

Η εργασία αυτή κατέστη δυνατή με την υποστήριξη του Simons Center for the Social Brain at MIT, των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας και του προγράμματος Intramural Research, Howard Hughes Medical Institute, Open Philanthropy, G. Harold and Leila Y. Mathers Charitable Foundation, Edward Mallinckrodt , Jr. Foundation, Poitras Center for Psychiatric Disorders Research at MIT, Hock E. Tan and K. Lisa Yang Center for Autism Research at MIT, Yang-Tan Center for Molecular Therapeutics at MIT, Lisa Yang, Phillips family, R. Metcalfe, and J. and P. Poitras.