Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát hiện ra một số lượng lớn Fanzor enzyme cắt DNA có thể lập trình từ sinh vật nhân chuẩn, mở rộng tiềm năng chỉnh sửa gen của các công cụ được hướng dẫn bởi RNA và mở ra khả năng chỉnh sửa bộ gen chính xác và hiệu quả hơn, đặc biệt là trong tế bào người.
Nghiên cứu mới đã phát hiện ra rằng enzyme hướng dẫn RNA gọi là Fanzors hiện diện rộng rãi ở sinh vật nhân chuẩn. Rất nhiều loài, từ ốc sên, tảo đến amip, tạo ra các enzyme cắt DNA có thể lập trình được gọi là Fanzors - và một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu não McGovern của MIT đã phát hiện ra hàng nghìn enzyme như vậy.
Fanzors là các enzyme hướng dẫn RNA có thể được lập trình để cắt DNA tại các vị trí cụ thể, giống như enzyme của vi khuẩn và cung cấp năng lượng cho hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR được sử dụng rộng rãi. Gần đây, tạp chí Science Advances đã báo cáo về sự đa dạng mới được phát hiện của enzyme Fanzor tự nhiên, cung cấp cho các nhà khoa học một bộ enzyme có thể lập trình được có khả năng được chế tạo thành các công cụ nghiên cứu hoặc y tế mới.
"Sinh học được hướng dẫn bởi RNA cho phép bạn tạo ra các công cụ lập trình thực sự dễ sử dụng. Vì vậy, chúng tôi càng tìm thấy nhiều thì càng tốt", Omar Abudayeh, thành viên McGovern, người đồng chủ trì nghiên cứu với thành viên McGovern, Jonathan Guttenberg, cho biết.
CRISPR là một hệ thống phòng thủ vi khuẩn cổ xưa thể hiện rõ ràng công dụng của các enzym được điều khiển bằng RNA trong phòng thí nghiệm. Các công cụ chỉnh sửa bộ gen dựa trên CRISPR do các giáo sư MIT và McGovern Fellows Zhang Feng, Abudaye, Guttenberg và những người khác phát triển đã thay đổi cách các nhà khoa học sửa đổi DNA, đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và góp phần phát triển nhiều liệu pháp gen thử nghiệm.
Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các enzyme dẫn RNA khác trong thế giới vi khuẩn, nhiều loại trong số đó có các đặc tính khiến chúng có giá trị trong phòng thí nghiệm. Nhóm của Zhang đã báo cáo vào đầu năm nay về việc phát hiện ra Fanzors, có thể cắt DNA theo hướng dẫn của RNA, mở ra một lĩnh vực sinh học mới được hướng dẫn bởi RNA.
Fanzors là enzyme đầu tiên thuộc loại này được phát hiện ở sinh vật nhân chuẩn. Sinh vật nhân chuẩn là một nhóm lớn các dạng sống bao gồm thực vật, động vật và nấm được xác định bởi một nhân có màng bao bọc để chứa vật liệu di truyền của mỗi tế bào. (Vi khuẩn không có nhân là sinh vật nhân sơ).
Gutenberg cho biết: "Mọi người đã tìm kiếm các công cụ thú vị trong hệ thống nhân thực trong một thời gian dài và tôi nghĩ điều này đã mang lại những kết quả đáng kinh ngạc. Hệ thống nhân chuẩn thực sự là một nơi làm việc hoàn toàn mới." của các sinh vật nhân chuẩn khác, bao gồm cả con người. Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng enzyme Fanzor có thể cắt chính xác các chuỗi DNA cụ thể trong tế bào người.
Trong nghiên cứu mới, Abudayeh và Guttenberg phát hiện ra rằng một số Fanzor có thể nhắm mục tiêu các chuỗi DNA trong tế bào người ngay cả khi chúng không được tối ưu hóa. Chúng hoạt động hiệu quả một cách đáng ngạc nhiên trong tế bào động vật có vú.
Trước nghiên cứu này, hàng trăm Fanzor đã được phát hiện ở sinh vật nhân chuẩn. Thông qua việc tìm kiếm rộng rãi cơ sở dữ liệu di truyền, do thành viên phòng thí nghiệm Justin Lim dẫn đầu, nhóm của Guttenberg và Abudaye hiện đã mở rộng tính đa dạng đã biết của các enzyme này lên một mức độ lớn.
Trong số hơn 3.600 Fanzors được tìm thấy ở sinh vật nhân chuẩn và vi rút lây nhiễm sang sinh vật nhân chuẩn, các nhà nghiên cứu đã có thể xác định được 5 họ enzyme riêng biệt. Bằng cách so sánh cấu tạo chính xác của các enzyme này, họ đã tìm thấy bằng chứng về một lịch sử tiến hóa lâu dài.
Fanzors có khả năng tiến hóa từ các enzyme vi khuẩn cắt DNA được hướng dẫn bằng RNA gọi là TnpBs. Trên thực tế, chính sự giống nhau về mặt di truyền của Fanzors với các enzyme vi khuẩn này đã lần đầu tiên thu hút sự chú ý của nhóm nghiên cứu của Zhang và nhóm của Guttenberg và Abudaye.
Các mối liên hệ tiến hóa được các nhà nghiên cứu tìm ra cho thấy rằng những vi khuẩn tiền thân của Fanzor này có khả năng đã xâm nhập vào tế bào nhân chuẩn nhiều lần để bắt đầu quá trình tiến hóa của chúng. Một số trong số này có thể được truyền qua vi rút, trong khi một số khác có thể do vi khuẩn hội sinh xâm nhập. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sau khi được sinh vật nhân chuẩn hấp thụ, các enzyme này đã phát triển các đặc tính thích nghi với môi trường mới, chẳng hạn như các tín hiệu cho phép chúng xâm nhập vào nhân tế bào, nơi chúng có thể tiếp cận DNA.
Thông qua các thí nghiệm di truyền và sinh hóa do nghiên cứu sinh kỹ thuật sinh học Kaiyi Jiang dẫn đầu, nhóm nghiên cứu đã xác định rằng Fanzors đã phát triển một vị trí hoạt động phân cắt DNA khác với vị trí hoạt động của các vi khuẩn tiền nhiệm của chúng. Khi tổ tiên của TnpB nhắm vào trình tự DNA trong ống nghiệm, nó sẽ được kích hoạt và cắt các trình tự khác trong ống nghiệm; Fanzors thiếu hoạt động vô tổ chức này. Khi họ sử dụng hướng dẫn RNA để hướng dẫn enzyme cắt các vị trí cụ thể trong bộ gen của tế bào người, họ phát hiện ra rằng một số Fanzor nhất định có thể cắt các chuỗi mục tiêu này với hiệu suất khoảng 10 đến 20%.
Khi nghiên cứu của họ tiến triển, Abudayeh và Guttenberg hy vọng sẽ sử dụng Fanzors để phát triển nhiều công cụ chỉnh sửa bộ gen tinh vi: "Đây là một nền tảng mới và chúng có rất nhiều khả năng. Việc mở ra toàn bộ cộng đồng nhân chuẩn cho các loại hệ thống hướng dẫn RNA này sẽ mang lại cho chúng tôi rất nhiều cơ hội nghiên cứu."