Bxb1たちはどう回るか ―DNA組換え酵素Bxb1の回転運動の可視化に成功!―

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2026-06-09 東京大学

東京大学とハーバード大学の共同研究チームは、DNA組換え酵素Bxb1がDNA組換えを行う際の分子機構を、クライオ電子顕微鏡解析によって世界で初めて可視化した。Bxb1はゲノム編集技術PASTEやPASSIGEで利用されるラージセリンリコンビナーゼであり、attP配列とattB配列の間で長鎖DNAを組み込む機能を持つ。研究では、DNA組換え反応中の4つの状態にあるBxb1-DNA複合体の立体構造を決定した結果、Bxb1が非対称な四量体を形成し、DNA切断後に左右の二量体が疎水性で平坦な界面を介して約180度回転することでDNA鎖交換を行うことが明らかとなった。さらに回転途中の中間状態の構造も捉え、30年以上謎だった回転機構の実証に成功した。また構造情報を基に酵素を改変し、認識配列の異なる変異体や組換え活性を約1.5倍向上させた高活性変異体(enBxb1)も開発した。本成果はDNA組換え酵素の作動原理解明に加え、長鎖DNAの高効率な標的挿入を可能にする次世代ゲノム編集技術の高度化に貢献すると期待される。

Bxb1たちはどう回るか ―DNA組換え酵素Bxb1の回転運動の可視化に成功!―
Bxb1–attP–attB複合体のクライオ電子顕微鏡構造

<関連情報>

遺伝子導入のための大型セリンリコンビナーゼBxb1の構造とエンジニアリング Structure and engineering of the large serine recombinase Bxb1 for gene integration

Teppei Soma, Masahiro Hiraizumi, Christopher W. Fell, Dario Tagliaferri, Jason Lequyer, Sae Okazaki, Yukari Isayama, Kazuki Kato, Sworaj Sapkota, Harsh Ramani, Benjamin Arya, Cian Schmitt-Ulms, Keitaro Yamashita, Jonathan S. Gootenberg, Omar O. Abudayyeh, Hiroshi Nishimasu
Molecular Cell  Available online: 8 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.05.018

Highlights

  • Cryo-EM structures of the Bxb1-attP-attB synaptic complex in four distinct states
  • Asymmetric assembly of attP- and attB-bound Bxb1 dimers into a synaptic complex
  • Strand-exchange mechanism via subunit rotation through a hydrophobic flat interface
  • Structure-guided engineering of Bxb1 variants with enhanced recombination activity

Summary

The large serine recombinase Bxb1 catalyzes recombination between DNA molecules containing compatible attP and attB sequences, offering broad applications in genome engineering and gene therapies. Here, we present cryo-electron microscopy structures of the Bxb1-attP-attB synaptic complex in four distinct functional states during its recombination cycle. Notably, the Bxb1 complex structures in the pre-, mid-, and post-strand-exchange states explain how the attP- and attB-bound Bxb1 dimers are assembled into a tetrameric synaptic complex and how an approximately 180° rotation occurs between the left and right dimers after DNA cleavage, thereby enabling DNA strand exchange and religation. Furthermore, we engineered Bxb1 variants with altered DNA preferences and enhanced recombination activity, which improved programmable gene integration in human cells. Overall, our findings advance the mechanistic understanding of large serine recombinases and provide a structural framework for future engineering of Bxb1-mediated genome integration technologies.

細胞遺伝子工学
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