“基因剪刀”遇见跳跃基因 会擦出什么火花?( 二 )


而CRISPR携带的目标基因需要靠同源重组才能结合到靶基因组中,同源重组容错率低,遵循配对原则,因此面临着修复系统“竞争”,导致整合效率低下,甚至完全被压制,造成难以想象的脱靶效应 。
向对于CRISPR依赖的同源重组进行序列插入,转座子的“移花接木”功能更加强势 。 细菌中的Tn转座子,是一段含有若干抗性基因和编码转座酶基因的DNA片段 。 两末端重复或倒置,对应转座酶的作用位点 。 当结合到靶DNA上时,转座复合体识别并攻击靶序列将转座子插入到靶序列中 。 整个转座过程完成了基因从原始DNA被剪切之后粘贴在另一受体DNA的过程,实现了基因的“跳跃” 。
新的研究工作,正是将关键的Cas9“剪刀”进行了改变,取而代之一种新的复合酶 。 据介绍,研究人员建立了一种CRISPR相关转座酶,一半是CRISPR效应蛋白Cas12k,与Cas9一脉相承,但对DNA只结合不剪切,只负责定位靶基因组,剪切替换的工作由转座酶“接手”,可以将基因片段直接插入靶位点,完全免除了对靶基因组的切割步骤 。
【“基因剪刀”遇见跳跃基因 会擦出什么火花?】可见,跨越百年的相遇,体现在对于关键酶的改良中,通过对不同来源的酶的整合、改造,使得新的Cas系统产生 。 据测试结果显示,该系统能在大肠杆菌(原核生物)基因组中实现高达80%的插入成功率,而远远高于CRISPR/Cas9系统相应编辑的成功率 。
事实上,这并不是首次尝试将两种编辑基因的方法联合起来 。 据报道,《BMC生物学》杂志2014年发表了一项研究,科学家们在细菌和古生菌中发现了一类新型的转座子,这种转座子不仅含有Cas内切酶的编码基因,还依赖这种酶整合到新的基因组区域,科学家将这种新型的转座子元件称为“Casposon” 。 可见,这对“CP”可能原本就存在于自然界中 。
编辑不同物种,改良一直在路上
基因编辑CRISPR/Cas9系统是源自于原核生物抵御外来遗传元件的侵袭进而开发出来的 。 Tn7转座子也来源于原核生物大肠杆菌 。 前者把握了方向,后者进行了实际操作 。
在真核基因中,它们表现如何,仍需要进一步地反复尝试、修改和验证 。
“马赛克现象”是该基因编辑工具应用于真核生物生殖细胞编辑时一直难以解决的问题 。 “我们用显微注射的方法对受精卵进行CRISPR基因编辑,希望获得相应的基因编辑动物 。 ”武汉大学中南医院研究助理教授姬燕晓表示,但这些方式获得的动物个体可能同时带有编辑细胞与未编辑细胞的嵌合个体 。 也就是说有的基因编辑小鼠可能只有腿部细胞编辑成功,或者其他局部,这对于构建动物模型来说是非常影响效率的 。
“我们只能从转基因动物下一代中筛选确定能够稳定遗传的个体,这对于大动物来说,非常耗时耗力 。 ”姬燕晓说 。
广东医科大学袁伟曦等在《CRISPR/Cas9技术存在的问题及其改进措施的研究进展》中分析,“马赛克现象”的发生,可能是由于CRISPR/Cas9系统应用于多细胞生物的受精卵基因编辑时,受精卵分裂成不同的卵裂球,而Cas9蛋白对不同卵裂球的编辑能力和修复方式不同,从而出现带有不同编辑类型的细胞的嵌合个体;也可能是受精成功到基因组第一次复制的时间极为有限,给基因编辑留下的“时间窗”很短 。
为此,对于基因编辑技术提高精准性、降低错配率等的研究工作仍需要持续推进,以针对不同的物种,获得最优的组合和解决方案 。

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