大神又放大招！「跳躍基因」取代Cas，開啟基因編輯新篇章！

乾貨 | 靠譜 | 實用

文章導讀

近日，有著「CRISPR之父」之稱的張鋒教授及其團隊發布了一種新型CRISPR工具，利用被忽略的跳躍基因（即轉座子）將治療基因插入靶基因組，實現了不切割DNA前提下的基因編輯！而且該工具在大腸桿菌中的實驗成功率達到了80%！

CRISPR/Cas技術自問世以來，在短短兩三年之內成為了生物科學領域最炙手可熱的研究工具。該技術精準、廉價、易於使用，且功能強大，因此被科學家們寄予厚望。但是，該工具需切割DNA方能實現基因編輯，因而往往伴隨著意料之外、難以估量的疾病風險，導致CRISPR/Cas始終難以應用至人類患者。

近日，有著「CRISPR之父」之稱的張鋒教授及其團隊發布了一種新型CRISPR工具，利用被忽略的跳躍基因（即轉座子）將治療基因插入靶基因組，實現了不切割DNA前提下的基因編輯！而且該工具在大腸桿菌中的實驗成功率達到了80%！

切割帶來的麻煩——CRISPR/Cas發展的瓶頸

CRISPR/Cas系統是一種原核生物的免疫防禦系統，用來抵抗外來遺傳物質的入侵，同時為細菌提供了獲得性免疫。而當CRISPR/Cas作為基因編輯工具時，可通過切割靶基因組去除靶基因組中的有害基因或將其替換為健康基因。該過程的一個重要步驟是對靶基因組的切割，這是打破靶基因組原有生態的重要損傷性操作，一旦脫靶或替換不及，極易引發嚴重疾病風險。不幸的是，在CRISPR/Cas操作過程中，這兩種情況屢見不鮮，這也成為了CRISPR/Cas發展的瓶頸。靶基因組的切割這一步驟當真沒辦法避免嗎？若是要刪除問題基因當然免不了切割，那替換可不可以不損傷基因組呢？

跳躍基因——靶基因組「免挨刀」的契機

在CRISPR/Cas系統中，只要定位準確，想要刪除相應的DNA片段並不難，但是想要用健康基因替換靶基因卻沒有想像中的簡單。因為我們體內存在一套「DNA修復系統」，當DNA受損時，該系統就會激活，啟動相應的修復反應，而CRISPR攜帶的健康基因需要靠同源重組才能結合到靶基因組中。這就意味著健康基因與靶基因組的整合面臨來自機體本身的強大阻力，導致整合效率低下，甚至被完全壓制，沒有任何效果。另一方面，若是DNA修復系統佔上風，並不代表靶基因組就可以恢復如初，其更有可能變成可以耐受DNA的損傷的問題基因，嚴重增加了疾病風險。也就是說，只切割卻替換不良，會帶來更大的麻煩。想要避免這一問題，最好的辦法就是——不切割。

只替換不切割？怎麼實現呢？研究人員注意到了一種被長期被忽略的遺傳因子——轉座子。轉座子可以從原位上單獨複製或斷裂下來，環化後插入另一位點，並對其後的基因起調控作用，整個過程，不需要外力對DNA進行切割！只要加以引導和控制，這就有望成為基因編輯的絕佳工具！

研究人員建立了一種CRISPR相關轉座酶——CAST，將轉座酶與CRISPR效應蛋白Cas12k相關聯。Cas12k不具備活性核酸內切酶功能，與DNA只結合不剪切，負責定位靶基因組，而轉座酶則可以將基因片段直接插入靶位點，完全免除了對靶基因組的切割步驟。研究人員在大腸桿菌中測試了CAST系統的功能，結果非常驚艷，插入成功率高達80%！相較於經典CRISPR/Cas系統相應編輯1%的成功率，這是質的飛躍！也就是，CAST系統不僅讓靶基因組「免挨刀」，還極大提高了基因編輯的成功率！

當然，沒有百分百的成功率意味著還是存在脫靶的風險，而一次脫靶對患者可能造成的具體風險尚需確認，因此，CAST系統需要在更複雜的生物中進一步驗證其作用，提高其準確性亦刻不容緩。總而言之，CAST系統的開發是CRISPR技術的一大進步，有望開啟基因編輯的新篇章，我們期待有更多好消息傳來。

參考文獻：

Jonathan Strecker,et al.RNA-guided DNA insertion with CRISPR-associated transposases.Science 06 Jun 2019.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！