【光明日报等】我国科学家探索DNA转座子多样性并拓展基因工程工具箱

中国科学院动物研究所张勇和王皓毅研究组在DNA转座子多样性研究中取得突破——研究人员从102个无脊椎或脊椎动物基因组中预测了130个潜在活跃的候选DNA转座子,通过实验筛选验证了其中40个可在人源细胞中活跃转座、具有我国自主知识产权的新型转座子。这一集合将哺乳动物中活跃转座子载体的数目从20提升至了60,大幅拓展了其进化多样性。之后,研究团队进一步开展了基础研究与应用研究两个层面的系统探索,一方面解析了DNA转座子的活性相关因素和进化动态,揭示了其多样化的功能特征;另一方面也阐明了Mariner2_AG(MAG)在CAR-T细胞治疗中的优越性能和临床应用潜力。这一成果于6月5日在国际学术期刊《细胞》在线发表。

DNA 转座子也称为“跳跃基因”,约占人类基因组的 2%,是一种天然的可以自主移动的DNA序列,通过单链或双链 DNA 中间体在生物体的基因组中移动。DNA转座子不仅对物种基 因组的大小有影响,在与宿主基因组长期进化的过程中,可以演化为功能性基因或调控元件,同时DNA转座子跳跃造成的基因组不稳定性也是物种进化的重要动力,有助于宿主适应恶劣环境。然而,在长期演化的过程中,绝大多数的DNA转座子失去了转座活性,只有少数转座子被开发为基因整合的工具,用于基因治疗、诱导iPS细胞、制备转基因动物、挖掘新的基因和功能元件等。

但是,DNA转座子活性的决定因素与进化模式的一般规律尚不清晰。尽管DNA转座子可作为基因工程工具用于插入诱变或转基因载体,但目前只有少数几种转座子得到了开发和广泛应用。因此,系统挖掘具有不同功能特点的转座子工具亟待开展。

在这项研究中,研究团队首先建立了遗传多样性数据的挖掘模式,基于生物信息分析从102个无脊椎和脊椎动物基因组中预测了130个潜在活跃的DNA转座子;人源细胞中的高通量实验筛选进一步验证了40个转座子具有异源转座活性。这一结果将哺乳动物中活跃转座子载体的数目从20提升至了60,大幅拓展了其进化多样性。

研究团队通过比较活跃与不活跃的转座子,发现高活性DNA转座子富集在Tc1/mariner超家族;这与该超家族转座子频繁发生水平基因转移的特点相吻合。在转座子的来源物种、家族、年龄和完整拷贝数等各类进化信息中,拷贝数最能准确预测其在人类细胞中的活性有无。

研究人员探究了影响转座活性的序列特点。在Tc1/mariner超家族中,转座子末端的反向重复(TIR)如果相对较长并在内部编码正向重复(IR-DR),那么该转座子更有可能有活性,且其活性也较强。除了非编码区特征外,研究者也在转座酶编码区证实了Tc1家族和hAT超家族中对转座活性具有重要影响的已知功能性位点,同时还报道了更多新的功能氨基酸。

考虑到其作为基因工程工具的潜在可能,研究者进一步探究了新型转座子的整合偏好性和基因承载能力等功能属性,发现来源于不同超家族的高活性转座子展示出三种整合偏好模式:一是接近于随机的整合模式,二是偏好于异染色质区域,三是偏好于转录活跃区域。这些DNA转座子的整合偏好性差异代表其在不同领域的应用潜力,例如第三种转座子可用于增强子或基因定位分析。

研究团队最后对MAG转座子用于CAR-T细胞治疗的能力进行了初步探索,揭示了其作为基因治疗载体的优越性。相比于常用的慢病毒和SB100X载体(特别是前者),MAG转座子制备的CAR-T细胞在人 Burkitt's 淋巴瘤细胞系Raji构建的血液瘤模型和人肺鳞癌细胞系NCI-H226构建的实体瘤模型中展现了更佳的治疗效果与更长的存活时间。

有评论认为,这一研究基于自然界的动物遗传多样性开展了迄今为止最大规模的DNA转座子活性筛选,从而获得了目前最大的活跃DNA转座子数据集;这不仅揭示了与转座活性相关的进化因素和功能特征,还扩展了基于DNA转座子的遗传工具箱。

(来源:光明日报、央视新闻频道、科技日报)

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