動(dòng)物所探索DNA轉座子多樣性并拓展基因工程工具箱
| 來(lái)源： 動(dòng)物研究所 【字號：大 中 小】
自1948年Barbara McClintock首次報道轉座子以來(lái)，這類(lèi)跳躍遺傳元件對宿主演化的重要意義逐漸被揭示。其中，DNA轉座子作為主要類(lèi)型之一而備受關(guān)注。然而，由于以往工作多為個(gè)案研究，DNA轉座子活性的決定因素與進(jìn)化模式的一般規律尚不清晰。盡管DNA轉座子可作為基因工程工具用于插入誘變或轉基因載體，但目前只有Sleeping Beauty等少數幾種轉座子得到開(kāi)發(fā)和應用。因此，挖掘具有不同功能特點(diǎn)的轉座子工具亟待開(kāi)展。
6月5日，中國科學(xué)院動(dòng)物研究所張勇和王皓毅研究組在《細胞》（Cell）上在線(xiàn)發(fā)表了題為Heterologous survey of 130 DNA transposons in human cells highlights their functional divergence and expands the genome engineering toolbox的研究論文。該研究篩選到40個(gè)在人源細胞中具有轉座活性的新型DNA轉座子，解析了DNA轉座子的活性相關(guān)因素和進(jìn)化動(dòng)態(tài)。這些具有不同功能特點(diǎn)的轉座子拓展了相關(guān)基因工程工具箱。尤為重要的是，轉座子Mariner2_AG（MAG）在CAR-T免疫治療實(shí)驗中展現出高活性，具有臨床應用價(jià)值。
該研究建立了遺傳多樣性數據的挖掘模式，基于生物信息分析在102個(gè)無(wú)脊椎和脊椎動(dòng)物基因組中預測了130個(gè)潛在活躍的DNA轉座子。人源細胞中的高通量篩選實(shí)驗進(jìn)一步驗證了40個(gè)轉座子具有異源轉座活性。其中，來(lái)自蚊子的Mariner2_AG以及來(lái)自洞穴魚(yú)的Tc1-2_St等轉座子活性超越了經(jīng)過(guò)大量?jì)?yōu)化的SB100X。
這一成果將哺乳動(dòng)物中活躍轉座子載體的數目從20提升至60，拓展了其進(jìn)化多樣性。該研究通過(guò)比較活躍與不活躍的轉座子，發(fā)現高活性DNA轉座子富集在Tc1/mariner超家族。這與該超家族轉座子頻繁發(fā)生水平基因轉移的特點(diǎn)吻合。
該研究探討了影響轉座活性的序列特點(diǎn)。在Tc1/mariner超家族中，轉座子末端的反向重復若相對較長(cháng)且其內部包含正向重復，那么該轉座子更可能有活性且活性較高。除了非編碼區特征外，研究在轉座酶編碼區證實(shí)了Tc1家族和hAT超家族中對轉座活性具有重要影響的已知功能性位點(diǎn)的絕對保守性，并報道了更多新的功能氨基酸位點(diǎn)。
考慮到新型轉座子作為基因工程工具的潛在可能，科研人員進(jìn)一步剖析了新型轉座子的整合偏好性和基因承載能力等功能屬性。來(lái)源于不同超家族的高活性轉座子展示出三種整合偏好模式——接近于隨機的整合模式如Tc1家族成員、偏好于異染色質(zhì)區域如piggyBac-1_AMi轉座子、偏好于轉錄活躍區域如hAT超家族成員。這些DNA轉座子的整合偏好性差異代表其在不同領(lǐng)域的應用潛力，如第三種轉座子可用于增強子或基因定位分析?；虺休d能力分析則顯示出活性最高的Mariner2_AG轉座子在這一方面的優(yōu)勢，即Mariner2_AG轉座子在承載10kb的外源基因時(shí)可表現出高達30%的轉座效率。
該團隊初步研究了MAG轉座子用于CAR-T免疫治療的能力，揭示了MAG轉座子作為基因治療載體的優(yōu)越性。相比于常用的慢病毒和SB100X載體，MAG轉座子制備的CAR-T細胞在人Burkitt's淋巴瘤細胞系Raji構建的惡性血液瘤模型和人肺鱗癌細胞系NCI-H226構建的實(shí)體瘤模型中，展現了更佳的治療效果與更長(cháng)的存活時(shí)間。
該研究基于自然界的動(dòng)物遺傳多樣性開(kāi)展了迄今為止最大規模的DNA轉座子活性篩選工作，獲得了目前最大的活躍DNA轉座子載體數據集。上述成果揭示了與轉座活性相關(guān)的進(jìn)化因素和功能特征，并擴展了基于DNA轉座子的遺傳工具箱。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、農業(yè)農村部、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院等的支持。
系統篩選活躍DNA轉座子
130個(gè)新型DNA轉座子和20個(gè)已知活躍DNA轉座子的進(jìn)化樹(shù)
