Obecnie w biomedycynie trwa rewolucja, której motorem jest zastosowanie narzędzi inżynierii genomu, takich jak prokariotyczny CRISPR-Cas9. W różnych organizmach nadal identyfikuje się nowe systemy edycji genomu, poszerzając potencjalny zestaw narzędzi do różnych zastosowań terapeutycznych. Naukowcy ze Szpitala Badawczego Dziecięcego St. Jude badali ewolucyjną podróż Fanzorów, białek edytujących genom eukariotyczny. Korzystając z mikroskopii krioelektronowej (cryo-EM), badacze uzyskali wgląd w rozbieżności strukturalne Fanzor2 od innych nukleaz kierowanych za pomocą RNA, proponując ramy dla przyszłych wysiłków w zakresie inżynierii białek. Wyniki opublikowano dzisiaj w Biologia strukturalna i molekularna przyrody.
CRISPR-Cas9, podejście do edycji genomu, które w 2020 r. zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, zostało zaadaptowane z naturalnie występującego systemu edycji genomu, który bakterie wykorzystują jako mechanizm obronny. Systemy CRISPR-Cas mogły pochodzić z transpozonów, elementów DNA przemieszczających się z jednego miejsca w genomie do drugiego. Niedawno odkryto, że duża i starożytna rodzina białek związanych z transpozonami występująca w bakteriach, zwana TnpB, jest funkcjonalnym poprzednikiem wielu podtypów CRISPR-Cas9 i -Cas12, zapewniając ewolucyjny pomost między tymi dwoma procesami. Rodzina białek Fanzor, składająca się z Fanzor1 i Fanzor2, to homologi TnpB występujące u eukariotów i wirusów eukariotycznych.
Doktor Elizabeth Kellogg z Wydziału Biologii Strukturalnej St. Jude zbadała strukturę Fanzor2, aby sporządzić wykres ewolucji tych systemów, dostarczając kluczowych spostrzeżeń, które pomogą w kształtowaniu przyszłego podejścia do technologii inżynierii genomu.
Potencjał Fanzora leży w jego relacji struktura-funkcja
„Odkąd odkryto, że TnpB są również nukleazami kierowanymi przez RNA, podobnie jak CRISPR-Cas9, bardzo zainteresowaliśmy się ich różnorodnością” – wyjaśnił Kellogg. „Mają ogromną różnorodność pod względem architektury, kształtów i powiązanych z nimi RNA. Właśnie odkrywamy wszelkiego rodzaju biologiczne role TnpB”.
Jednym z kluczowych czynników, który sprawia, że TnpB i Fanzory są tak ekscytujące, jest ich względny rozmiar — są znacznie mniejsze niż ich relacje Cas9 i Cas12. Z punktu widzenia inżynierii genomu minimalizacja rozmiaru białka zapewnia większą funkcjonalność. Poprzez struktury Cryo-EM Fanzor2 powiązane z jego natywnym przewodnikiem RNA i docelowym DNA, Kellogg poskładał związek między strukturą i funkcją nukleaz kierowanych przez RNA. Prace ujawniły również, że rola RNA we wspomaganiu strukturyzacji miejsca aktywnego Fanzor2 różni się od innych klas, co sugeruje, że RNA i białko ewoluowały wspólnie na odrębnej gałęzi ewolucyjnej z rodziny nukleaz CRISPR Cas12.
„Białko było dość minimalne, ale struktura sugeruje, że istnieje znacznie większa plastyczność, jeśli chodzi o sposób ich funkcjonowania z RNA” – powiedział Kellogg. „Wskazuje to, że moglibyśmy jeszcze bardziej zmniejszyć jego rozmiar, ale pozostaje jeszcze wiele do zrobienia, aby to zrozumieć”.
Kellogg ma nadzieję, że ta struktura stanie się punktem wyjścia dla nowatorskich podejść do inżynierii następnej generacji nukleaz kierowanych przez RNA. Co więcej, biorąc pod uwagę różnorodność rodziny, jasne jest, że wraz z wiedzą przychodzi władza. „Różnorodność strukturalna tych kompleksów to coś, czego w ogóle nie rozumiemy” – podkreśliła. „Myślę, że to właśnie tutaj jest ważne, nie tylko dla zrozumienia ograniczeń funkcjonalnych, które sprawiają, że coś jest nukleazą kierowaną przez RNA, ale także dla zrozumienia tych zasad i wykorzystania ich w inżynierii. To mnie interesuje”.
Autorzy i finansowanie
Pierwszymi autorami badania są Richard Schargel z Cornell University; oraz Zuhaib Qayyum i Ajay Singh Tanwar, St. Jude. Drugim autorem badania jest Ravi Kalathur, św. Juda.
Badanie zostało wsparte grantami przyznanymi przez Narodowy Instytut Zdrowia (R01GM144566), Fundację Pew Biomedical Foundation, Program stypendialny dla absolwentów National Science Foundation oraz ALSAC, organizację St. Jude zajmującą się zbieraniem funduszy i zwiększaniem świadomości.
