研究人员花费了数十年时间和数十亿美元用于测序动物和作物的基因组，但真菌在基因组学领域却一直被视为被遗忘的"中间孩子"，只有当它们使面包发霉或侵染脚趾时才会引起注意。
"考虑到真菌对现代医学的影响，这种忽视是相当令人惊讶的，"化学与生物分子工程师薛"雪莉"高(Xue "Sherry" Gao)表示。"从青霉素的意外发现到降低胆固醇的他汀类药物，我们近年来在延长寿命方面的许多突破都要归功于真菌化学。但尽管如此，真菌王国的绝大部分仍然是一个黑匣子。"
造成这一谜团的主要原因是，当在无菌实验室条件下生长时，真菌会关闭它们在野外合成以抵抗细菌的药物产生基因通路。
"要重新开启这些沉默的通路，我们需要一种强大的方法来精确操纵真菌基因组，例如编辑它们的主要调控基因，但传统工具无法胜任这一任务，"高说。
现在，高和她在工程与应用科学学院的团队开发了一种名为fPE7max的新型基因组编辑工具，用于应对线状霉菌（即丝状真菌）的复杂遗传结构——想想曲霉或给世界带来青霉素的青霉菌——并最终揭开这个被忽视的王国的秘密。
他们的研究成果发表在《自然·生物技术》期刊上。
"我们分离出18种不同的复杂分子，其中八种具有科学界前所未见的化学结构，"高实验室的博士后研究员、第一作者孙春晓(Chunxiao Sun)表示。"在这些被发现的分子中，三种显示出有希望的抗癌特性。这些分子可以作为疾病治疗的先导化合物，为药物发现提供重要的新渠道。"
孙表示，其中一种新型分子对人类乳腺癌、肝癌和白血病细胞表现出选择性毒性。
重写真菌基因组学教科书
在过去的十年中，CRISPR-Cas9一直是引人注目的基因剪接工具。但高解释说，在作为抗菌化合物丰富来源的丝状真菌中，它可能是一种笨拙的工具，会导致意外的突变。
一种名为原位编辑(prime editing)的较新技术完全避免了双链断裂，允许对DNA序列进行精确控制。但将原位编辑技术适应于真菌王国是一个挑战。
首先，团队必须确保他们的遗传指令确实能够通过细胞。原位编辑依赖于向导RNA——一种分子指令手册，告诉工具去哪里以及写入什么新代码。但当研究人员尝试进行大规模编辑时，这些指令手册可能会变得不合理地长，使它们变得脆弱，并在编辑工作完成前降解。
他们的解决方案是在工具中整合一种特殊蛋白质——fLa。fLa充当坚固的保护性绑定剂，保护脆弱的RNA指令，使fPE7max能够处理导致其他工具失效的大规模DNA插入和删除。
其次，团队必须阻止真菌细胞发现研究人员的新编辑，将其标记为错误并使DNA恢复到原始序列。为了智胜这一点，团队整合了一种特殊蛋白质，该蛋白质可以暂时抑制真菌的自然修复系统，使新遗传代码能够永久固定。
古老生物，新科学
由此产生的平台fPE7max实现了接近90%的编辑效率。
通过使用fPE7max开启这些沉默的真菌基因簇，团队发现了以前未知的化合物。
为了测试他们的新工具，研究人员针对了一个名为laeA的主基因的调控序列，该基因控制着庞大的生物合成途径网络。通过使用fPE7max精确编辑掉自然抑制该基因翻译的分子障碍，他们成功地在几种不同的真菌物种中激活了沉默的基因簇，发现了具有前景的抗癌特性的分子。
"这是一个令人信服的概念证明，表明下一代救命疗法可能已经存在于自然界中，"高补充道。
展望未来，该团队计划在更广泛的真菌物种中部署fPE7max，继续寻找新型天然产物。研究人员希望从寻找可能产生有用药物的野生真菌的"寻宝"方法，转向系统优化的新时代。
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