转座子是驱动基因组进化的重要遗传元件，也是开发新型基因编辑工具的重要来源。近年来，IS110家族转座子被发现可利用非编码RNA引导DNA转座，其通过桥接RNA（bRNA）能够同时识别供体DNA与靶DNA，从而实现RNA引导的可编程DNA整合。研究表明IS110系统可能代表一类不同于经典的CRISPR-Cas核酸酶的新型基因编辑体系，其有望在无需引入DNA双链断裂损伤、提升非分裂细胞编辑、大片段插入等方面展现独特优势。然而，IS110转座反应如何发生、供体位点如何实现靶向插入、是否存在多种反应路径等方面仍存在诸多机制盲区和学术争议，限制了对该系统的理解和工程化改造。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所薛超友团队联合中国农业大学楼慧强团队、中国医学科学院血液病医院饶书权团队，以Caloranaerobacter azorensis来源的CazIS110-1转座元件为研究模型，利用体内遗传学、体外生化重构、转座中间体与关键残基突变验证系统解析了RNA引导的IS110转座分子机制，首次证明IS110具有两条不同RNA引导的转座路径，为理解IS110转座过程建立了新的机制框架。

研究发现，IS110转座子并不遵循此前推测的经典“cut-out-paste-in”机制，而是通过两条机制不同的RNA引导路径实现转座。其中，第一条通路依赖全长bRNA，通过上链切割、供体位点重接等步骤，形成类似“figure-of-eight”的转座中间体，并进一步完成RNA引导的DNA整合。该通路揭示了IS110在实现供体DNA产生过程中如何维持其基因组稳定性。第二条通路是一条此前未被认识的非经典RNA引导“direct-transfer”通路。该通路不依赖传统环状DNA中间体的形成，而是由TBL-only RNA与全长bRNA在不同反应阶段发挥作用，通过两个连续的链转移步骤，将转座子DNA直接转移至RNA指定的靶位点。该发现突破了以往对转座过程必须依赖特定DNA中间体的认识，揭示了RNA引导转座反应中前所未有的机制多样性，也为解释IS110系统在体内的稳定存续与扩散提供了新的分子基础。进一步的机制研究表明，IS110转座酶中的RuvC样催化中心与Tnp结构域中的保守丝氨酸残基共同构成复合催化中心，参与DNA切割、蛋白-DNA共价中间体形成以及后续链转移反应。通过关键催化残基突变、体外反应重构和中间体检测，研究明确了这些保守残基在不同转座步骤中的功能贡献，为理解IS110系统的催化机制提供了直接证据。

综上，该研究系统阐明了IS110转座子两条机制不同的RNA引导转座通路，完善了RNA引导转座的理论体系，为进一步改造IS110系统、开发安全高效的新一代可编程基因组编辑工具提供了重要机制基础和理论指导。

该研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持，研究成果发表于Molecular Cell期刊。中国农业大学硕士研究生孙轩龙、中国科学院大学博士研究生杨晨和中国科学院天津工业生物技术研究所助理研究员蔡朝辉为论文的共同第一作者。中国科学院天津工业生物技术研究所薛超友研究员、中国农业大学生物学院楼慧强教授和中国医学科学院血液病医院饶书权研究员为论文共同通讯作者。

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由RNA引导的两种转座途径模型图