中科院拓宽基因工程工具箱后生动物基因组揭示新活性DNA转座子

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Cell

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来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.05.007

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2024-06-05

摘要：

2024年6月5日，中国科学院动物研究所张勇及王皓毅共同通讯在Cell 在线发表题为“Heterologous survey of 130 DNA transposons in human cells highlights their functional divergence and expands the genome engineering toolbox”的研究论文，该研究从102个后生动物基因组中预测了130个活性DNA TEs，并评估了它们在人类细胞中的活性。在20世纪40年代，Barbara McClintock发现了第一个转座因子(TE)，由一对DNA转座子组成，其中包含末端倒置重复序列(TIR)、自主Ac和非自主Ds。McClintock发现TEs通过影响邻近基因的表达作为“控制元件”，通过诱导宿主基因组的变化作为诱变剂。在随后的70年里，该领域经历了一次扩展，发现TE几乎存在于所有真核生物基因组中。在各种类型的TEs中，DNA TEs包括许多超家族，如以Ac/Ds为创始成员的hAT和Tc1/mariner。DNA TEs对宿主的贡献已经引起了广泛的兴趣，它们在各种重要途径中被驯化。同时，从转座活性的潜在因素、进化动力学和基因组工程工具的发展等三个角度对DNA TEs进行了研究。尽管这些研究的规模有限，但它们提供了基本的知识。首先，研究了转位的编码和非编码决定因素。残基包括D(天冬氨酸)，D和E/D(谷氨酸)已被确定为催化核心。TIR由转座结合，一些Tc1/mariner元件在每个TIR (IR-DR)内具有两个不完全直接重复(DR)作为结合位点的特征结构。其次，DNA TEs被认为经历了“水平转移、垂直失活和随机丢失”。自主TE侵入宿主后，会抑制和积累失活突变。此外，包括微型倒置重复TEs(MITEs, 50-800 bp内部缺失的非自主TEs)在内的非自主TEs。由于TIRs的存在和它们的小尺寸而有效地竞争由相关自主TEs编码的转座酶。第三，多种DNA TEs已经发展成为多种应用的工具，包括插入诱变和转基因。其中，Tc1/mariner超家族的Sleeping Beauty(SB)和piggyBac超家族的piggyBac (PB)最受关注。随着编码和/或非编码序列的广泛优化，活性变异(如SB100X)已被开发为有效的非病毒载体。基于SB100x的嵌合抗原受体(CAR) T细胞疗法已被用于治疗血液肿瘤。显然，对少量DNA TEs的偏向和实验研究的异质性使得很难确定TE超家族或家族的一般规则。具体来说，DNA TEs在人细胞中异源表达后的转座活性仍然是不可预测的。进化特征(如超家族类型)和序列特征(如IR-DR)如何影响转位在很大程度上是未知的。在进化动力学方面，虽然已经有报道将MITEs扩增为自主TE的缺失衍生物，但TE超家族是否与MITEs普遍相关尚不清楚。此外，基于TEs的具有多种功能特征的基因组工程工具，特别是有效治疗血液病和实体瘤的高效CAR-T载体，仍然不发达。该研究发现了40个活跃的(整合能力强的)TEs，超过了之前发现的累计数量(20个)。通过这些统一的比较数据，发现Tc1/mariner超家族表现出较高的活性，这可能解释了它们普遍存在的水平转移。TEs的进一步功能表征显示了插入偏倚等特征的额外差异。值得注意的是，在血液和实体肿瘤的CAR-T治疗中，TE鉴定的最活跃的DNA Mariner2_AG (MAG)在很大程度上优于两种广泛使用的载体，慢病毒载体和基于TE的载体SB100X。总的来说，该研究强调了DNA TE的不同转位特征和进化动力学，并增加了TE工具箱的多样性。