尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》最新上線發(fā)表的一篇論文中，Broad研究所、麻省理工學(xué)院McGovern腦研究所的張鋒教授與其同事帶來了一款全新的CRISPR基因編輯工具，利用“跳躍基因”，讓DNA片段插入基因組變得更加容易。大腸桿菌中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示成功率達(dá)到80%，遠(yuǎn)高于經(jīng)典CRISPR系統(tǒng)。
革命性的基因編輯工具CRISPR/Cas系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在基因組特定位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)編輯。不過，以經(jīng)典的CRISPR/Cas9為例，從基因組中刪除DNA片段相對(duì)容易，要用另一段序列替換原有DNA片段則困難得多。原因在于，“基因剪刀”Cas9把DNA切斷后，DNA雙鏈通過內(nèi)源損傷修復(fù)通路自然愈合，新DNA片段的整合依靠同源重組或非同源末端連接來實(shí)現(xiàn)，效率低，而且在很多細(xì)胞類型中不起作用。
此次，張鋒教授團(tuán)隊(duì)新開發(fā)的升級(jí)版CRISPR編輯系統(tǒng)在靶向插入DNA這方面做出了突破。用“改正”的DNA序列來取代含有致病突變的序列，將為治療某些遺傳疾病提供極大的幫助。
之所以新的CRISPR升級(jí)版本可以讓插入DNA變得更容易，關(guān)鍵在于首創(chuàng)性地利用了“跳躍基因”。顧名思義，這類DNA片段在基因組中有移動(dòng)能力。跳躍基因又叫轉(zhuǎn)座子，可以利用編碼的轉(zhuǎn)座酶將自己從原來的位置切割出來，并“跳躍”到基因組的其他位置插入進(jìn)去。
通常情況下，跳躍基因在細(xì)胞內(nèi)既有可能幫助修復(fù)突變，也可能引起有害突變。而CRISPR研究人員想要做的是引導(dǎo)和控制轉(zhuǎn)座子的跳躍，使之插入到基因組的特定位置，避免破壞DNA。
研究團(tuán)隊(duì)從藍(lán)藻Scytonema hofmanni中獲得一種轉(zhuǎn)座酶，它的3個(gè)亞基與一種CRISPR效應(yīng)蛋白Cas12k相關(guān)聯(lián)。他們將這一系統(tǒng)命名為CAST，即CRISPR相關(guān)轉(zhuǎn)座酶（CRISPR-associated transposase）。
CAST系統(tǒng)利用Cas12k在基因組中搜尋特定的序列位點(diǎn)，Cas12k沒有活性核酸內(nèi)切酶功能，與DNA只結(jié)合不剪切，而是由轉(zhuǎn)座酶將基因片段直接插入靶位點(diǎn)。不涉及同源重組途徑，也讓這種方法具有安全性上的優(yōu)勢(shì)。
研究團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中測(cè)試了重編程CAST系統(tǒng)的DNA插入結(jié)果，效率非常驚人：經(jīng)過PCR確認(rèn)，在基因組目標(biāo)位點(diǎn)有2.5kb長(zhǎng)度的插入產(chǎn)物，并且插入成功率達(dá)到80%。相比之下，利用經(jīng)典CRISPR，這個(gè)比例只有1%左右。
不過目前CAST目前同樣存在脫靶的危險(xiǎn)，將DNA插入到一些不該插入的地方。目標(biāo)編輯與非目標(biāo)編輯的比例為99：1。是否一個(gè)脫靶DNA的改變就足以致病，比如說破壞一個(gè)關(guān)鍵的抑癌基因，這類潛在問題還需要更多的研究來證明。
研究者下一階段將在更復(fù)雜的模式生物中檢測(cè)這一新系統(tǒng)。盡管還沒有在細(xì)菌以外進(jìn)行測(cè)試，但CAST為更高效的新一代基因編輯系統(tǒng)帶來希望。
正因?yàn)槿绱?，這項(xiàng)工作引起了很多科學(xué)家的關(guān)注。俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)（Oregon Health and Science University）的生殖生物學(xué)家Shoukhrat Mitalipov教授表示，這種新技術(shù)有可能用于通過基因組編輯來治療疾病，“因?yàn)樗雌饋恚ū冉?jīng)典的CRISPR）更高效、更精確。雖然只是第一步，已經(jīng)非常令人鼓舞。”
參考資料
[1] Jonathan Strecker et al., (2019) RNA-guided DNA insertion with CRISPR-associated transposases. Science. DOI: 10.1126/science.aax9181
[2] ‘Jumping genes’ could help CRISPR replace disease-causing DNA, study finds. Retrieved Jun 11, 2019, from https://www.statnews.com/2019/06/06/jumping-genes-could-help-crispr-replace-disease-causing-dna/
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