【科技前沿】Molecular Cell | 张恒团队揭示TIGR–TasH系统分子机制并发展基因编辑新工具
本篇报道来源于中国生物物理学会冷冻电镜分会委员张恒教授投稿。
RNA引导的核酸酶依赖向导RNA识别靶序列并进行特异性切割，是基因编辑技术的核心工具。通过对核酸酶或向导RNA进行工程化改造，可优化或改变其分子功能，例如实现核酸酶到切口酶的活性转化。切口酶在双链DNA上产生单链切口，可促进同源重组修复，并提升碱基编辑和先导编辑的精准度。目前，链特异性切口酶活性的实现，主要依赖对蛋白关键催化位点的突变。相比之下，在保持核酸酶结构与功能完整的情况下，通过改造向导RNA实现切口酶活性，可实现更灵活的切割模式调控，例如在不同位点针对不同DNA链产生切口。然而，基于RNA改造实现切口酶活性的研究仍较为有限。如何在分子机制解析的基础上设计具有跨靶点普适性的工程化向导RNA，仍有待进一步探索。
2026年3月13日，天津医科大学基础医学院/肿瘤医院张恒课题组在Molecular Cell上发表了题为“Molecular Basis for Dual-spacer-guided Target Cleavage by the TIGR-TasH System”的研究论文。该研究阐明了RNA引导核酸酶TIGR-TasH系统的分子机理，并提出“向导RNA调控型”新型基因编辑机制。通过理性设计向导RNA，该系统可在双链DNA上产生单链切口（nick），显示出TIGR-TasH系统在基因编辑技术开发中的应用前景。
TIGR-Tas系统是一类由RNA引导、靶向双链DNA的新型核酸作用体系，主要分布于细菌、古菌及病毒中。其典型基因座包括TIGR（Tandem Interspaced Guide RNA）阵列及Tas（TIGR-associated）蛋白编码基因。TIGR阵列由重复序列与间隔序列交替排列组成，可被转录并加工为成熟向导RNA（tigRNA）。成熟tigRNA含有两个串联排列的间隔序列，可分别与靶DNA双链的两条单链配对，实现对双链底物的协同靶向。该识别模式不依赖PAM或PFS等靶标邻近基序，理论上拓展了可靶向序列范围。Tas蛋白以源自真核box C/D家族snoRNP复合体的Nop结构域为核心，并常与RuvC或HNH等核酸酶结构域融合，形成具有DNA切割活性的TasR或TasH。Tas核酸酶仅约300-400 aa，大小约为SpCas9的30%，在作为基因组编辑工具时具有明显的小型化优势。然而，该系统的向导RNA产生、底物识别及变构激活等过程的分子机制仍不清楚。
团队对噬菌体来源的SpTasH系统（下称TasH）开展研究。在复合体体外组装实验中，研究人员意外发现，TasH仅依赖自身Nop结构域活性位点处理TIGR转录本，生成36-nt成熟tigRNA。这与此前报道的TaTasR系统需要宿主因子参与tigRNA处理不同，提示TasH系统具备多靶点基因编辑的潜力。在底物识别方面，团队发现TasH在Mg2+或Mn2+等二价金属离子存在下，可切割末端完全配对的双链DNA。生化实验和结构解析证实，一个独特的β-发夹精确限定TasH对靶DNA的识别长度，并参与招募HNH核酸酶结构域；一个保守的赖氨酸残基在DNA双链打开过程中发挥关键作用。此外，该系统对RNA–DNA杂交区的错配容忍度较低，具有高保真的底物靶向识别特异性。
RNA介导的TIGR-TasH切口酶活性
Tas蛋白普遍具有同源二聚结构特征，较难通过蛋白水平突变实现nickase活性。研究团队在理解TIGR-TasH分子机制的基础上，通过在tigRNA重复区引入突变，调控其相邻配对区的DNA链切割活性，并在人细胞系中进行了验证。该策略首次实现了由向导RNA重复区定义的链特异性切口酶活性，为构建高精度基因编辑工具（如碱基编辑和先导编辑）提供了新的分子底盘。
综上，这项研究揭示了TIGR-TasH系统从tigRNA自加工、复合体组装到双链识别与变构激活的完整分子机制。作为一类小型化、无PAM限制的RNA引导核酸靶向系统，TIGR-TasH有望通过进一步工程化改造发展为新一代基因编辑工具。天津医科大学张恒教授为论文通讯作者，杨洁博士、王童谣、刘志坤、孙仰跃、吴文齐博士、詹焱程博士为论文共同第一作者。
天津医科大学基础医学院/肿瘤医院张恒课题组长期从事免疫防御系统相关基础研究，聚焦新型核酸中心型微生物免疫系统的功能与分子机制，并开展衍生技术工具的开发与应用转化，以通讯作者在Nature, Nature Microbiology, Nature Chemical Biology, Molecular Cell, Cell Research等期刊发表研究论文。课题组现招聘测序、微生物学、生物化学等方向博士后，欢迎联系。
实验室官网：https://www.zhanglab.life/
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.02.017
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原标题：《【科技前沿】Molecular Cell | 张恒团队揭示TIGR–TasH系统分子机制并发展基因编辑新工具》