CRISPR编辑系统升级 利用“跳跃基因”精确插入DNA片段

顶尖学术期刊《科学》最新上线发表的一篇论文中，Broad研究所、麻省理工学院McGovern脑研究所的张锋教授与其同事带来了一款全新的CRISPR基因编辑工具，利用“跳跃基因”，让DNA片段插入基因组变得更加容易。大肠杆菌中的实验结果显示成功率达到80%，远高于经典CRISPR系统。

革命性的基因编辑工具CRISPR/Cas系统实现了在基因组特定位点进行精准编辑。不过，以经典的CRISPR/Cas9为例，从基因组中删除DNA片段相对容易，要用另一段序列替换原有DNA片段则困难得多。原因在于，“基因剪刀”Cas9把DNA切断后，DNA双链通过内源损伤修复通路自然愈合，新DNA片段的整合依靠同源重组或非同源末端连接来实现，效率低，而且在很多细胞类型中不起作用。

此次，张锋教授团队新开发的升级版CRISPR编辑系统在靶向插入DNA这方面做出了突破。用“改正”的DNA序列来取代含有致病突变的序列，将为治疗某些遗传疾病提供极大的帮助。

之所以新的CRISPR升级版本可以让插入DNA变得更容易，关键在于首创性地利用了“跳跃基因”。顾名思义，这类DNA片段在基因组中有移动能力。跳跃基因又叫转座子，可以利用编码的转座酶将自己从原来的位置切割出来，并“跳跃”到基因组的其他位置插入进去。

▲首次在玉米中发现转座子现象的Barbara McClintock博士因此荣获1983年诺贝尔生理学或医学奖（图片来源：By The original uploader was PDH at English Wikipedia.; Original Repository and creator: Smithsonian Institution. National Museum of American History [Public domain], via Wikimedia Commons）

通常情况下，跳跃基因在细胞内既有可能帮助修复突变，也可能引起有害突变。而CRISPR研究人员想要做的是引导和控制转座子的跳跃，使之插入到基因组的特定位置，避免破坏DNA。

研究团队从蓝藻Scytonema hofmanni中获得一种转座酶，它的3个亚基与一种CRISPR效应蛋白Cas12k相关联。他们将这一系统命名为CAST，即CRISPR相关转座酶（CRISPR-associated transposase）。

▲CAST基因座一端包含转座酶基因，一端包含CRISPR序列和Cas12k，中间是待插入的基因（图片来源：Science）

CAST系统利用Cas12k在基因组中搜寻特定的序列位点，Cas12k没有活性核酸内切酶功能，与DNA只结合不剪切，而是由转座酶将基因片段直接插入靶位点。不涉及同源重组途径，也让这种方法具有安全性上的优势。

研究团队在大肠杆菌中测试了重编程CAST系统的DNA插入结果，效率非常惊人：经过PCR确认，在基因组目标位点有2.5kb长度的插入产物，并且插入成功率达到80%。相比之下，利用经典CRISPR，这个比例只有1%左右。

▲CAST靶向插入DNA机制示意图（图片来源：Science）

不过目前CAST目前同样存在脱靶的危险，将DNA插入到一些不该插入的地方。目标编辑与非目标编辑的比例为99：1。是否一个脱靶DNA的改变就足以致病，比如说破坏一个关键的抑癌基因，这类潜在问题还需要更多的研究来证明。

研究者下一阶段将在更复杂的模式生物中检测这一新系统。尽管还没有在细菌以外进行测试，但CAST为更高效的新一代基因编辑系统带来希望。

正因为如此，这项工作引起了很多科学家的关注。俄勒冈健康与科学大学（Oregon Health and Science University）的生殖生物学家Shoukhrat Mitalipov教授表示，这种新技术有可能用于通过基因组编辑来治疗疾病，“因为它看起来（比经典的CRISPR）更高效、更精确。虽然只是第一步，已经非常令人鼓舞。”

参考资料

[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/

原标题

张锋团队最新Science：CRISPR升级！利用“跳跃基因”精确插入DNA片段