轉座子相關核糖核蛋白TnpB是來自V型CRISPR系統的多種Cas12效應蛋白的祖先內切酶。考慮到它的小尺寸(408 aa)，研究工程TnpB是否可以用於有效的哺乳動物基因組編輯是很有興趣的。
2024年1月27日，上海臨港實驗室胥春龍，輝大基因周英思以及新加坡國立大學的胡純一實驗室合作在Nature Communications線上發表題為“Engineering a transposon-associated TnpB-ωRNA system for efficient gene editing and phenotypic correction of a tyrosinaemia mouse model”的研究論文，該研究展示了一種突破性的基因編輯技術，該技術不僅小巧高效，而且在臨床應用方面展現了巨大潛力。這項技術的核心是一種名為TnpB的蛋白質，它源自一種被稱為Deinococcus radiodurans的極端耐輻射細菌。
首先，讓我們簡單回顧一下基因編輯技術的發展歷程。自從CRISPR-Cas9系統被發現以來，基因編輯技術就像一把神奇的“分子剪刀”，為科學家們提供了修改DNA的強大工具。隨後，研究者們又發現了CRISPR系統中的另一類蛋白質——Cas12，它們在基因編輯中也顯示出了巨大潛力。然而，這些系統的一個主要挑戰在於它們的大小。由於Cas9和Cas12蛋白質相對較大，它們在實際應用中的傳遞效率受到限制，尤其是在使用腺相關病毒（AAV）這類安全的基因傳遞系統時，最高載量僅為4.7千個鹼基對長度。
現在，科學家們在TnpB上取得了重大進展。TnpB是一種與轉座子相關的核糖核蛋白酶，被認為是多種Cas12效應蛋白的祖先。最引人注目的是，TnpB的大小僅為408個氨基酸殘基，遠小於Cas12蛋白質。這一特點使得TnpB成為基因編輯領域的新寵，因為它可以更容易地透過AAV系統傳遞。
在這項研究中，科學家們首先證明了來自Deinococcus radiodurans的TnpB（ISDra2 TnpB）在小鼠胚胎中的基因編輯活性已經高於之前發現的小型Cas12f1蛋白。更重要的是，透過對TnpB相關的非編碼RNA（ωRNA或reRNA）進行逐步工程改造，他們顯著提高了TnpB的核酸酶活性。
最激動人心的發現是，經過最佳化的TnpB-ωRNA系統可以透過單次AAV注射高效地在體內傳遞，並在酪氨酸血癥模型小鼠中糾正了疾病表型。這一結果不僅證明了TnpB系統在基因編輯中的有效性，而且展示了其在治療遺傳性疾病方面的巨大潛力。
TnpB相關ωRNA的逐步工程化提高了基因編輯效率（圖源自Nature Communications）
這一發現開啟了基因編輯技術的新篇章。與傳統的CRISPR-Cas系統相比，TnpB不僅體積更小，傳遞效率更高，而且在安全性和精確性方面也顯示出了優勢。這意味著在不久的將來，我們可能會看到更多基於TnpB的基因治療策略，用於治療各種遺傳性疾病，甚至可能包括一些目前難以治癒的疾病。
總的來說，這項研究不僅是科學界的一次突破，也為患者帶來了新的希望。隨著這項技術的不斷發展和完善，我們有理由相信，基因編輯將在未來的醫學和生物科學領域發揮越來越重要的作用。
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45197-z
