在基因工程的一次飞跃中，Arc研究所的一组研究人员发现了桥式重组酶机制，这是一种以可编程方式重组和重新排列DNA的精确而强大的工具。

今天发表在《自然》杂志上的这项研究报告了他们发现的第一个DNA重组酶，它使用非编码RNA对目标和供体DNA分子进行序列特异性选择。这种桥接RNA是可编程的，允许用户指定任何所需的基因组目标序列和要插入的任何供体DNA分子。

“桥接RNA系统是一种全新的生物编程机制，”这项研究的资深作者、Arc研究所核心研究员兼加州大学伯克利分校生物工程学助理教授Hsu说道。“桥接重组可以通过序列特异性插入、切除、倒置等方式普遍修改遗传物质，从而为CRISPR以外的活体基因组提供文字处理器。”

Arc高级科学家MatthewDurrant和加州大学伯克利分校生物工程研究生NickPerry是该发现的主要作者。这项研究是与Arc研究所核心研究员兼斯坦福大学生物化学助理教授SilvanaKonermann和东京大学结构生物学教授HiroshiNishimasu的实验室合作开展的。

桥式重组系统源自插入序列110(IS110)元件，它是无数种转座元件(或“跳跃基因”)之一，它们通过剪切和粘贴自身在微生物基因组内和之间移动。转座元件存在于所有生命形式中，并且为了生存而进化成为专业的DNA操纵机器。IS110元件非常小，仅由编码重组酶的基因以及迄今为止仍是个谜的侧翼DNA片段组成。

Hsu实验室发现，当IS110从基因组中切除时，非编码DNA末端会连接在一起，产生一个RNA分子——桥接RNA，该分子折叠成两个环。一个环与IS110元件本身结合，而另一个环与元件将插入的目标DNA结合。桥接RNA是双特异性引导分子的第一个例子，它通过碱基配对相互作用指定目标和供体DNA的序列。

PatrickHsu、NickPerry和MattDurrant讨论了新发现的桥式重组酶机制。图片来源：RayRudolph

桥接RNA的每个环都是独立可编程的，这使得研究人员能够混合和匹配任何感兴趣的目标和供体DNA序列。这意味着该系统可以远远超出其插入IS110元素本身的自然作用，而是能够将任何所需的遗传物质(如有缺陷的致病基因的功能性副本)插入任何基因组位置。在这项研究中，该团队证明了大肠杆菌中所需基因的插入效率超过60%，对正确基因组位置的特异性超过94%。

“这些可编程的桥接RNA使IS110与其他已知的重组酶区别开来，后者缺乏RNA成分，无法进行编程，”研究生尼克·佩里说。“桥接RNA就像一个通用电源适配器，使IS110可以与任何插座兼容。”

Hsu实验室的发现与东京大学HiroshiNishimasu博士实验室的合作相得益彰，该研究成果今天也发表在《自然》杂志上。Nishimasu实验室利用低温电子显微镜确定了与靶标和供体DNA结合的重组酶桥RNA复合物的分子结构，并按顺序完成了重组过程的关键步骤。

随着进一步的探索和发展，桥接机制有望引领第三代RNA引导系统，超越CRISPR和RNA干扰(RNAi)的DNA和RNA切割机制，为可编程DNA重排提供统一机制。桥接重组酶对于进一步开发用于哺乳动物基因组设计的桥接重组系统至关重要，它可以连接两条DNA链而不会释放切割的DNA片段——从而避开当前最先进的基因组编辑技术的一个关键限制。

“桥式重组机制解决了其他基因组编辑方法面临的一些最根本的挑战，”研究联合负责人Durrant表示。“可编程地重新排列任意两个DNA分子的能力为基因组设计的突破打开了大门。”

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