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NgAgo研究有新进展,和韩春雨撤回的研究有关系吗?

美国普渡大学的研究人员发现作为 DNA 核酸内切酶的活性 | CREDIT:Kevin Solomon/Purdue University

 导  读

2021年9月3日,普渡大学Kevin Solomon团队在《核酸研究》杂志报告的最新进展显示:他们确实看到了NgAgo作为 DNA 核酸内切酶的活性。本文作者认为,这种活性和韩春雨之前报道的并不相同,甚至基本否定了NgAgo在哺乳动物细胞中基因编辑的可能性。

撰文|王承志

责编|陈晓雪

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NgAgo首次被发现有DNA内切酶活性

自河北科技大学副教授韩春雨及合作者2016年5月在《自然-生物技术》Nature Biotechnology杂志发表NgAgo可能作为哺乳动物细胞的基因编辑工具以来,科学界关于NgAgo是否真的能够进行基因组编辑的讨论就没有停止过。因为无法重复实验结果,这篇广受争议的论文在发表一年3个月后即被作者撤回,不过一直有科学家试图了解NgAgo和其它Argonaute家族蛋白是否真的有替代CRISPR系统作为基因编辑工具的潜力。

2021年9月3日,普渡大学 Kevin Solomon 团队在《核酸研究》Nucleic Acids Research杂志报道的最新进展显示:他们确实看到了NgAgo作为 DNA 核酸内切酶的活性,但这种活性和韩春雨之前报道的并不相同。

NgAgo的来源宿主是一种嗜盐碱杆菌Natronobacterium gregoryi 。这类微生物生活在高盐环境中,它们的蛋白在进化中也适应了这种极端环境,但在普通的低盐环境中常常无法正确折叠。

在上述的研究中,研究人员也发现NgAgo在非嗜盐宿主(如大肠杆菌)中表达量很低,且基本以不溶解的形式存在。即使在重折叠后,大多数NgAgo蛋白仍不能溶解且无活性。

但在细胞破碎的上清中,有少量以可溶形式存在的NgAgo蛋白。研究人员发现可溶的NgAgo在体外能够切割质粒和基因组DNA,而且这种活性可以不依赖于向导DNA(gDNA)

进一步的研究发现,在有反义gDNA(与靶标DNA互补)存在时,绝大部分切割(>97%)发生在其对应的DNA位点,而正义gDNA(与靶标DNA序列相同)则不能引导NgAgo发生切割。值得注意的是,研究人员发现NgAgo的切割活性是单链切割(Nicking),而非像Cas家族蛋白那样的双链切割。

进一步地,研究人员发现NgAgo在大肠杆菌中可以在gDNA的帮助下实现基因编辑。这种编辑通常发生在gDNA 3' 末端外 1 nt 处切割靶向 DNA。实验还证实了NgAgo的切割活性结构域PIWI对其在大肠杆菌的编辑能力是必要的。

 实际上,早在2019年4月,该团队就在佛罗里达州奥兰多城举行的美国化学学会年会上报告了这一发现,并在预印本论文平台bioRxiv上发布其结果。但不知为何,直到最近才正式发表。

这一结果能证明韩春雨是对的吗?

这篇研究第一次在体外和体内(大肠杆菌中)证实了NgAgo确实有DNA内切酶活性,这对于理解NgAgo又前进了一大步。之前的研究显示NgAgo可以与靶基因结合以阻断其转录,以及其可能有RNA编辑的活性,但没有人在DNA上真正看到切割活性。

Argonaute家族一些蛋白的特性,例如不需要PAM序列,以及使用DNA而非RNA(容易形成二级结构从而失效)作为向导序列,可以弥补CRISPR基因编辑系统的很多不足,因而被生物学界寄予厚望。

科学家们已经发现其它Argonaute家族蛋白,如TtAgo,MpAgo,PfAgoa和MjAgo等确实有基因编辑活性,但都必须在55℃以上的高温环境中才能工作,这使得科学家无法开发它们成为在细胞中工作的基因编辑工具。

NgAgo的天然宿主能够在37℃生长,如果它能在细胞中实现基因编辑将会大大拓宽基因编辑工具箱的范围。但后续的研究无一例外地发现,NgAgo在细胞中看不到基因编辑的活性。这将NgAgo这个明星分子推向风口浪尖。

Kevin Solomon团队的这项研究,证实了NgAgo的DNA切割活性,这表明该蛋白可能有成为基因编辑工具的潜力。

但是,这并不代表韩春雨最初的论文结论被证实。

相反,这篇文章的实验基本否定了NgAgo在哺乳动物细胞中基因编辑的可能性。

首先,NgAgo在生理盐浓度条件下可溶性极差,因此在细胞中的可溶部分浓度很难达到基因编辑所需要的量。

其次,和Cas9等内切酶相比,NgAgo缺乏DNA解旋酶活性,这极大影响了其编辑效率。因为无法解开双螺旋,只有细胞基因组复制时NgAgo才有机会接触到单链DNA,从而发挥内切酶活性。在这项研究中使用的大肠杆菌细胞周期很短,基因组复制占比时间很长,因此能观察到细胞内编辑活性。对于哺乳动物来说,很长的细胞周期会使NgAgo难以发挥编辑功能。

另外,哺乳动物细胞染色质中的组蛋白会抑制NgAgo的活性。大肠杆菌中没有组蛋白,这有利于NgAgo发挥作用。

基于这些原因,NgAgo不太可能在哺乳动物细胞内发挥基因编辑活性,这与之前很多的研究结果也相吻合。

这项研究将NgAgo的功能研究往前推进了一大步,第一次证实了NgAgo的DNA内切酶活性。至于NgAgo是否能被改造为适合哺乳动物细胞的基因编辑工具,还需要更多的探索。

作者简介 

王承志为北京大学医学部病原生物学博士,现任职于某创业公司。

 参考文献

1. Lee, Kok Zhi, Michael A. Mechikoff, Archana Kikla, Arren Liu, Paula Pandolfi, Kevin Fitzgerald, Frederick S. Gimble, and Kevin V. Solomon. "NgAgo possesses guided DNA nicking activity." Nucleic Acids Research (2021).

2. https://www.eurekalert.org/news-releases/847286

3. Kok Zhi Lee, Michael A. Mechikoff, Archana Kikla, Arren Liu, Paula Pandolfi, Frederick S. Gimble, Kevin V. Solomon doi: https://doi.org/10.1101/597237



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