Deze oude DNA-knippende enzymen worden door kleine stukjes RNA naar hun doelwit geleid. Hoewel ze zijn ontstaan ​​in bacteriën, zijn ze nu ontwikkeld om in menselijke cellen te werken, wat suggereert dat ze nuttig kunnen zijn bij de ontwikkeling van genbewerkingstherapieën, vooral omdat ze klein zijn (ongeveer 30 procent van de grootte van Cas9), waardoor ze gemakkelijker te leveren aan cellen dan omvangrijkere enzymen. De vondst, meldde 9 september in het tijdschrift Wetenschap, levert bewijs dat natuurlijke RNA-geleide enzymen tot de meest voorkomende eiwitten op aarde behoren, wat wijst op een enorm nieuw gebied van biologie dat klaar staat om de volgende revolutie in genoombewerkingstechnologie te stimuleren.

Het onderzoek werd geleid door McGovern Investigator Feng Zhang, de James en Patricia Poitras Professor of Neuroscience aan het MIT, een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute en een Core Institute-lid van het Broad Institute. Het team van Zhang heeft natuurlijke diversiteit onderzocht op zoek naar nieuwe moleculaire systemen die rationeel kunnen worden geprogrammeerd.

"We zijn super enthousiast over de ontdekking van deze wijdverbreide programmeerbare enzymen, die zich al die tijd onder onze neus hebben verstopt", zegt Zhang. "Deze resultaten suggereren de verleidelijke mogelijkheid dat er veel meer programmeerbare systemen zijn die wachten op ontdekking en ontwikkeling als bruikbare technologieën."

Natuurlijke aanpassing

Programmeerbare enzymen, met name die welke een RNA-gids gebruiken, kunnen snel worden aangepast voor verschillende toepassingen. CRISPR-enzymen gebruiken bijvoorbeeld van nature een RNA-gids om virale indringers te targeten, maar biologen kunnen Cas9 naar elk doelwit leiden door hun eigen RNA-gids te genereren. "Het is zo gemakkelijk om gewoon een gidsvolgorde te veranderen en een nieuw doel te stellen", zegt Soumya Kannan, MIT-afgestudeerde student biologische technologie en mede-eerste auteur van het artikel. "Dus een van de brede vragen waarin we geïnteresseerd zijn, is proberen te zien of andere natuurlijke systemen hetzelfde soort mechanisme gebruiken."

De eerste aanwijzingen dat OMEGA-eiwitten mogelijk door RNA worden gestuurd, kwamen van de genen voor eiwitten die IscB's worden genoemd. De IscB's zijn niet betrokken bij CRISPR-immuniteit en het was niet bekend dat ze associëren met RNA, maar ze zagen eruit als kleine DNA-knippende enzymen. Het team ontdekte dat elke IscB een klein RNA had dat in de buurt werd gecodeerd en dat het IscB-enzymen aanstuurde om specifieke DNA-sequenties te knippen. Ze noemden deze RNA's "ωRNA's".

De experimenten van het team toonden aan dat twee andere klassen van kleine eiwitten, bekend als IsrB's en TnpB's, een van de meest voorkomende genen in bacteriën, ook ωRNA's gebruiken die fungeren als gidsen om de splitsing van DNA te sturen.

IscB, IsrB en TnpB worden gevonden in mobiele genetische elementen die transposons worden genoemd. Han Altae-Tran, afgestudeerde MIT-student in biologische engineering en mede-eerste auteur van het artikel, legt uit dat elke keer dat deze transposons bewegen, ze een nieuw gids-RNA creëren, waardoor het enzym dat ze coderen ergens anders kan knippen.

Het is niet duidelijk hoe bacteriën profiteren van deze genomische shuffling - of dat ze dat helemaal niet doen. Transposons worden vaak gezien als egoïstische stukjes DNA, die zich alleen bezighouden met hun eigen mobiliteit en behoud, zegt Kannan. Maar als hosts deze systemen kunnen 'coöpteren' en ze opnieuw kunnen gebruiken, kunnen hosts nieuwe mogelijkheden krijgen, zoals bij CRISPR-systemen die adaptieve immuniteit verlenen.

IscB's en TnpB's lijken voorlopers te zijn van Cas9- en Cas12 CRISPR-systemen. Het team vermoedt dat ze, samen met IsrB, waarschijnlijk ook aanleiding hebben gegeven tot andere RNA-geleide enzymen - en ze willen ze graag vinden. Ze zijn nieuwsgierig naar de reeks functies die in de natuur kunnen worden uitgevoerd door RNA-geleide enzymen, zegt Kannan, en vermoedt dat de evolutie waarschijnlijk al gebruik heeft gemaakt van OMEGA-enzymen zoals IscB's en TnpB's om problemen op te lossen die biologen graag willen aanpakken.

"Veel van de dingen waar we over hebben nagedacht, bestaan ​​​​misschien al van nature in een bepaalde hoedanigheid", zegt Altae-Tran. "Natuurlijke versies van dit soort systemen kunnen een goed startpunt zijn om voor die specifieke taak aan te passen."

Het team is ook geïnteresseerd in het traceren van de evolutie van RNA-geleide systemen verder in het verleden. "Het vinden van al deze nieuwe systemen werpt licht op hoe RNA-geleide systemen zijn geëvolueerd, maar we weten niet waar de RNA-geleide activiteit zelf vandaan komt", zegt Altae-Tran. Als hij die oorsprong begrijpt, zegt hij, zou de weg kunnen worden vrijgemaakt voor het ontwikkelen van nog meer klassen programmeerbare tools.

Dit werk werd mogelijk gemaakt met steun van het Simons Center for the Social Brain aan het MIT, de National Institutes of Health en het Intramural Research Program, Howard Hughes Medical Institute, Open Philanthropy, G. Harold en Leila Y. Mathers Charitable Foundation, Edward Mallinckrodt , Jr. Foundation, Poitras Center for Psychiatric Disorders Research aan MIT, Hock E. Tan en K. Lisa Yang Center for Autism Research aan MIT, Yang-Tan Center for Molecular Therapeutics aan MIT, Lisa Yang, Phillips family, R. Metcalfe, en J. en P. Poitras.