生命科学的飞速发展,为科学家自由操纵基因提供了前所未有的简便和高效。在分子生物学实验室里,你可以很方便地通过聚合酶链式反应(PCR)将一个基因克隆下来,并连接到相应的表达载体(质粒)上。 遗憾的是,上述的分子克隆实验通常是在原核生物中进行的(例如细菌),但涉及真核生物基因组的操作,特别是几千个核苷酸长度的DNA序列的整合,仍然十分具有挑战性。这也限制了合成生物学、细胞工程和基因治疗等新兴领域的发展。 2022年10月10日,美国弧光研究所(Arc Institute)的 Patrick Hsu 联合斯坦福大学的研究人员,在 Nature Biotechnology 期刊发表了题为:Systematic discovery of recombinases for efficient integration of large DNA sequences into the human genome 的研究论文【1】。 该研究开发了一种算法来识别数千种全新的大丝氨酸重组酶(LSR)及其DNA附着位点,将已知LSR的多样性扩大了100倍。这些LSR可以将超过7kb的大型DNA片段精准、高效地插入人类基因组,为基因组工程化研究以及人类遗传病治疗提供了新的“百宝箱”!
值得一提的是,该论文的第一署名单位弧光研究所(Arc Institute)在去年年底正式成立之时曾轰动世界,该研究所由硅谷科技富豪 Patrick Collison 捐款5亿美元为妻子 Silvana Konermann 成立。
人类遗传病的治疗一直是亟待解决的难题。随着人类基因组学的发展,越来越多人类遗传病基因被相继发现,通过改变遗传病患者的基因序列,从根本上治愈人类遗传病也由此成为了一种很有前景的治疗方法。 导致遗传病的原因有很多,有时候只是编码蛋白的基因上的一个碱基出错了,但有时候可能是一大段基因出现了缺失、重复或重排,这种情况只能通过基因整合的方法将其修复。目前主要依靠DNA双链断裂(DSB)来实现基因整合,例如同源重组(HR),但这种基因编辑手段并不可靠,有时候会导致双链DNA断裂部位附近的碱基缺失,或者产生随机DNA片段插入。 因此,该研究的通讯作者 Patrick Hsu 博士及其团队希望开发一种能够将大片段DNA整合到人类基因组中的分子工具,且不需要产生DNA双链断裂,也不需要依靠细胞的DNA修复机制。
Patrick Hsu(右)是张锋(左)的第一届研究生 基于假定的新工具的特点,研究团队将目光聚焦于天然存在于噬菌体中的可移动遗传元件——大丝氨酸重组酶(LSR)。 大丝氨酸重组酶(LSR)是噬菌体携带的一种整合酶,它们通过识别细菌基因组和噬菌体DNA片段上的特定序列,将大片段DNA序列整合到细菌的基因组中。这种机制使位点特异性大片段DNA插入成为可能,而不需要任何细胞辅助因子,也不会产生有害的DNA双链断裂(DSB)。 在这项最新研究中,研究团队设计了一种算法来检索不同种类的噬菌体中可能存在的LSR序列,经过粗略筛选后,他们发现了6207种具有序列特异性的LSRs。这将已知的LSRs数目扩展超过100倍。