科学家最近在一项新研究中分享了一项细菌防御机制的详细研究，他们相信这可能为一种新颖的基因组编辑技术提供有价值的基础。
该防御系统涉及两种蛋白质，它们共同工作以禁用质粒——小型DNA结构，有助于各种细菌株之间遗传信息的共享。虽然质粒可以提供进化优势，但宿主细菌通常将其视为威胁。
研究团队发现，其中一种蛋白质利用一段短的DNA片段，称为DNA导向，来启动行动，吸引另一种蛋白质以拆解质粒。
此外，研究还确定了一些可能对基因编辑有用的元素：一种不仅更稳定而且生产成本更低的导向DNA，与导向RNA相比，以及一种紧凑的功能性蛋白质，可引入哺乳动物细胞以进行DNA感知和基因编辑功能。
“这个系统有很大的潜力发展成基因组编辑工具，”俄亥俄州立大学医学院生物化学和药理学助理教授傅天敏表示。“我们目前正在测试其可重编排性以便于实际应用。”
这些发现发表于8月21日的期刊《Cell》中。
细菌质粒广泛受到认可，因为一些细菌可以释放它们，而它们也可以从一个细胞转移到另一个细胞，促进遗传交换。
“这解释了细菌的快速进化，”傅指出。“有时，质粒可能成为基因组DNA的一部分，但这种整合是随机的。尽管它们对个别细菌的生存可能构成挑战，但质粒最终对社区有益，使其能够获得新特征。”
然而，细菌通常旨在消除质粒，以减轻可能带来的不可预见的风险。
傅和他的团队使用霍乱弧菌作为模型生物研究被称为DdmDE的质粒防御机制，该机制由DdmD和DdmE两种蛋白质组成，利用冷冻电子显微镜分析它们的相互作用。
该过程首先由DdmE附着在称为导向DNA的非常短的DNA片段上开始。这使得蛋白质能够识别目标质粒并通过形成与质粒双链中的一条链的泡沫结构来捕获它。该泡沫结构随后招募DdmD蛋白质，DdmD只能与未结合的质粒链结合。绑定后，DdmD分裂成两个分子，作为切割器碎裂质粒。
他们实验的初步数据表明，DdmD切割后剩余的质粒片段可以作为导向DNA的一部分，使得DdmE能够重新绑定并重复该过程。
“似乎存在一个反馈环路，”傅解释道。“一旦生成了质粒片段，更多的DdmE可以利用这些片段作为导向，以针对细胞内的更多质粒。”
然而，他提到，“细胞内初始导向的来源仍然不清楚。这是一个‘鸡和蛋’的困境。”
这一发现有些出乎意料，因为DdmE与一组Argonaute蛋白质具有相似特性，这些蛋白质通过促使宿主细菌的死亡来抵御质粒的侵袭。与利用导向RNA的Argonautes不同，DdmE依靠导向DNA，这使得DdmDE系统成为旨在预防疾病的基因组编辑的有前途的候选者。
“由于DdmE依赖导向DNA，我们可以生产导向DNA以精确定位基因组中特定区域，”傅表示。“我们目前正在评估其在哺乳动物细胞中的有效性，并观察到令人鼓舞的前景。”
这项研究得到了美国国立卫生研究院的资助。
来自俄亥俄州立大学的共同作者包括杨晓元、沈张飞、王晨和中西孝太郎。
