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RNA 引导的核酸酶 TnpB 和 Cas12 的多样性、进化和分类。

Diversity, evolution, and classification of the RNA-guided nucleases TnpB and Cas12.

机构信息

HHMI, Cambridge, MA 02139.

Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology and Harvard, Cambridge, MA 02142.

出版信息

Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Nov 28;120(48):e2308224120. doi: 10.1073/pnas.2308224120. Epub 2023 Nov 20.

DOI:10.1073/pnas.2308224120
PMID:37983496
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10691335/
Abstract

The TnpB proteins are transposon-associated RNA-guided nucleases that are among the most abundant proteins encoded in bacterial and archaeal genomes, but whose functions in the transposon life cycle remain unknown. TnpB appears to be the evolutionary ancestor of Cas12, the effector nuclease of type V CRISPR-Cas systems. We performed a comprehensive census of TnpBs in archaeal and bacterial genomes and constructed a phylogenetic tree on which we mapped various features of these proteins. In multiple branches of the tree, the catalytic site of the TnpB nuclease is rearranged, demonstrating structural and probably biochemical malleability of this enzyme. We identified numerous cases of apparent recruitment of TnpB for other functions of which the most common is the evolution of type V CRISPR-Cas effectors on about 50 independent occasions. In many other cases of more radical exaptation, the catalytic site of the TnpB nuclease is apparently inactivated, suggesting a regulatory function, whereas in others, the activity appears to be retained, indicating that the recruited TnpB functions as a nuclease, for example, as a toxin. These findings demonstrate remarkable evolutionary malleability of the TnpB scaffold and provide extensive opportunities for further exploration of RNA-guided biological systems as well as multiple applications.

摘要

TnpB 蛋白是转座子相关的 RNA 指导的核酸内切酶,它们是细菌和古菌基因组中编码最多的蛋白质之一,但它们在转座子生命周期中的功能仍然未知。TnpB 似乎是 Cas12 的进化祖先,Cas12 是 V 型 CRISPR-Cas 系统的效应核酸酶。我们对古菌和细菌基因组中的 TnpB 进行了全面普查,并构建了一个系统发育树,在该树上我们绘制了这些蛋白质的各种特征。在树的多个分支上,TnpB 核酸酶的催化位点发生了重排,表明该酶具有结构上的,可能还有生化上的可变性。我们鉴定了许多 TnpB 被招募用于其他功能的明显例子,其中最常见的是在大约 50 个独立的情况下进化出 V 型 CRISPR-Cas 效应物。在许多其他更激进的功能适应的情况下,TnpB 核酸酶的催化位点显然失活,表明其具有调节功能,而在其他情况下,其活性似乎保留,表明被招募的 TnpB 作为核酸酶发挥作用,例如作为毒素。这些发现表明 TnpB 支架具有显著的进化可塑性,并为进一步探索 RNA 指导的生物系统以及多种应用提供了广泛的机会。

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