科学家关注蝙蝠群聚交换免疫基因带来病毒耐受性的进化的现象

科学家关注蝙蝠群聚交换免疫基因带来病毒耐受性的进化的现象 德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院(VMBS)的 Nicole Foley 博士说:"了解蝙蝠是如何进化出病毒耐受力的,可能有助于我们了解人类如何才能更好地对抗新出现的疾病。作为基因组学家,我们的工作常常为直接研究病毒传播的科学家的研究奠定基础。他们可能正在开发疾病疫苗或监测易感动物种群。我们相互依赖,才能在下一次大流行中保持领先。"一只正在捕食的鼠耳蝠。图片来源:Nicole Foley 博士/德克萨斯农工大学兽医与生物医学学院由于蝙蝠通常对其携带的疾病具有免疫力,福里和兽医综合生物科学系教授比尔-墨菲博士认为,研究蝙蝠的疾病免疫力可能是预防下一次全球大流行的关键。福里说:"由于 COVID-19 大流行,预测和预防疫情爆发成为研究人员和公众的首要任务。有几种蝙蝠对危害人类健康的病毒有耐受性,这意味着它们会成为疾病的贮藏库它们携带病毒,但关键是它们不会出现症状"。长耳鼠耳蝠。图片来源:Nicole Foley 博士/德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院为了准确揭示蝙蝠是如何进化出对这些致命病毒的耐受力,弗利、墨菲和他们的国际研究伙伴绘制了蝙蝠的进化树图,他们知道这对于试图确定哪些基因可能参与其中至关重要。"鼠耳蝠是哺乳动物中的第二大属,有 140 多个物种,"她说。"它们几乎遍布世界各地,并寄生着多种多样的病毒。鼠耳蝠和其他蝙蝠物种在交配期间也有成群行为,这给弄清物种间的关系增加了困难。"在一起栖息的长耳鼠耳蝠。图片来源:Nicole Foley 博士/德克萨斯农工大学兽医与生物医学学院Foley 说:"你可以把群体行为想象成社交聚会;这里有大量的飞行活动、更多的交流和物种间的交融,对蝙蝠来说,这和去夜总会没什么两样。"让研究人员感到复杂的是,蝙蝠群会产生更多的杂交种父母来自不同物种的个体蝙蝠。Foley 说:"鼠耳蝠的问题在于种类繁多,大约有 130 种,但它们看起来都非常相似。很难将它们彼此区分开来,而杂交则使区分变得更加困难。如果我们想弄清楚这些蝙蝠是如何进化的,从而了解它们的疾病免疫力,那么能够分辨出谁是谁就非常重要了。"长耳鼠耳蝠。图片来源:Nicole Foley 博士/德克萨斯农工大学兽医与生物医学科学学院有鉴于此,为了绘制出鼠耳蝠之间的真实关系图,弗利和墨菲首先解开了杂交的遗传密码,这样他们就能更清楚地分辨出哪些物种是鼠耳蝠。她解释说:"我们与爱尔兰、法国和瑞士的研究人员合作,对60种蝙蝠的基因组进行了测序。这使我们能够弄清DNA中哪些部分代表了物种的真实进化史,哪些部分是杂交产生的。"解决了这部分难题后,研究人员终于能够更仔细地研究遗传密码,看看它如何可能揭示疾病免疫。他们发现,免疫基因是蜂拥时物种间最频繁交换的一些基因。"对于研究人员来说,群聚行为一直是个谜,"Foley 说。"现在我们对这种特殊行为进化的原因有了更好的理解也许是为了促进杂交,这有助于在整个种群中更广泛地传播有益的免疫基因变体。"Nicole Foley 博士和 William Murphy 博士。资料来源:德克萨斯农工大学兽医和生物医学科学学院Foley 和 Murphy 的发现为我们提出了关于杂交在进化中的重要性的新问题。Foley指出:"杂交在我们的发现中所起的作用比我们预想的要大得多。这些结果让我们不禁要问,迄今为止,杂交在多大程度上掩盖了基因组学家对哺乳动物进化史的了解。现在,我们希望找出哺乳动物之间发生杂交的其他情况,看看我们能了解它们之间的关系,甚至基因组是如何以及为什么会以这种方式组织起来的。"编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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科学家发现嗅觉和化学感应进化过程中的意外转折

科学家发现嗅觉和化学感应进化过程中的意外转折 "想象一下,在一个世界里,成熟的桃子对一只苍蝇来说尝起来和闻起来都像辛辣的醋,而对另一只苍蝇来说却像一阵夏日的气息,"这项研究的主要作者、伦敦玛丽皇后大学遗传学、基因组学和基础细胞生物学讲师罗曼-阿圭略博士解释说。"我们的研究表明,这不仅是可能的,而且实际上很常见。"研究小组分析了六个不同果蝇物种的五个关键气味检测组织的基因表达模式。这种综合方法使他们能够比以往任何时候都更深入地研究嗅觉的分子基础。一个令人惊讶的发现是"稳定选择"的普遍存在,这种力量使大多数基因在不同世代的表达水平保持不变。然而,在这片稳定的海洋中,研究人员发现数千个基因的表达发生了重大变化,形成了不同苍蝇物种独特的嗅觉景观。化感组织转录组的进化。图片来源:Gwénaëlle Bontonou 等人/《自然通讯阿圭略博士说:"这就像是在一片千篇一律的汪洋大海中发现了隐藏的多样性岛屿。基因表达的这些变化告诉我们新气味、新敏感性的进化,甚至是利用气味导航世界的新方法。"这项研究还揭示了两性之间耐人寻味的差异。在果蝇和许多其他动物中,雌雄常常通过不同的嗅觉镜头来感受世界。研究人员在黑腹果蝇的前肢发现了令人惊讶的过量雄性偏向基因表达,这表明这些前肢在雄性特异性气味检测中起着至关重要的作用。这些发现为了解性别差异如何演变以及它们如何影响动物行为开辟了令人兴奋的新途径。它对感官系统如何进化的一般原理提供了宝贵的见解,为了解包括人类在内的其他动物如何感知其化学环境提供了线索。编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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“绿巨人”蜥蜴揭开基因带来进化适应的秘密

“绿巨人”蜥蜴揭开基因带来进化适应的秘密 隆德大学的研究人员正在研究地中海壁蜥的体形、颜色和行为的进化,重点是神经嵴细胞的作用。他们的研究将实地观察与基因分析相结合,找出了导致壁蜥独特性状的基因。这项研究不仅加深了我们对遗传适应机制的理解,还为在其他脊椎动物物种中开展进一步的进化研究奠定了基础。资料来源:哈维尔-阿巴洛斯适应是一种基因变化,可提高在周围环境中的生存能力。它可能会影响颜色、形状和行为。然而,这种基因如何发挥作用的基础一直是个谜。在一项新的研究中,进化生物学家结合实地考察和 DNA 分析,对地中海地区大型、绿色、好斗、性征突出的壁蜥进行了研究。他们发现了一些导致壁蜥拥有绿巨人般外表的基因。"绿巨人"外观背后的所有组织和器官都是由早期胚胎中形成的神经嵴细胞发育而成的。隆德大学进化生物学家娜塔莉-费纳(Nathalie Feiner)说:"我们认为,这些细胞是形状、颜色和行为变化的基础,因此,这些特征是共同进化的。"研究小组对一种常见的壁蜥进行了研究,这种壁蜥具有绿黑相间的颜色、惊人的体型和攻击性行为。具有这种外貌的雄性壁蜥出现在几千年前,靠近今天的罗马,并显示出对其他颜色组合的雄性壁蜥的优势。这导致绿巨人蜥蜴遍布整个意大利。绿巨人蜥蜴。图片来源:哈维尔-阿巴洛斯"我们对神经嵴细胞的了解几乎完全来自小鼠等少数模式生物。我们现在正在绘制蜥蜴胚胎中这种细胞的图谱,以了解绿巨人蜥蜴等现象是如何进化的。"在接下来的几年里,费纳和她的团队将开展更多的实地研究,建立繁殖小组,并进行先进的遗传分析,包括使用 CrispR-Cas9 基因编辑技术。所有这一切的目的都是为了确定神经嵴细胞在颜色、形状和行为的交织进化中扮演着什么样的角色。"我们的研究重点是蜥蜴,但我们的发现可能适用于所有具有神经嵴细胞的动物,这将涵盖约 7 万种脊椎动物。"她说:"虽然我们的工作为进化如何发挥作用提供了一种可能的解释,但它也是许多新研究领域的开端。"编译自/scitechdaily ... PC版: 手机版:

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科学家完成阿拉比卡基因组测序 为开发适应气候的咖啡打开大门

科学家完成阿拉比卡基因组测序 为开发适应气候的咖啡打开大门 参考基因组对于开发更能适应气候变化和抗病的品种至关重要。通过对阿拉比卡咖啡的参考基因组进行前所未有的测序,一个科学家联盟得以筛选出可能对咖啡抵抗锈病和其他疾病负有责任的基因(候选基因)。同时,他们还确定了与阿拉比卡咖啡香味有关的一些基因的表达。这项研究可为开发更适应气候变化的品种提供指导。图片来源:Gian Barros"有了基因组知识,我们就有可能获得以下两个方向的信息:通过指导杂交来培育品种,换句话说,为我们今后培育新品种的杂交提供参考;"Douglas Domingues 是巴西圣保罗大学路易斯-德凯罗斯农学院植物基因组学和转录组学小组的研究员,也是这篇论文(他当时还在圣保罗州立大学里奥克拉罗分校工作)的作者之一。据他说,对基因组进行测序是一场竞赛。"测序的价格下降了很多,而咖啡是少数几种还没有进行参考基因组测序的商品之一。其他小组也在尝试,在我们之前就有一篇论文发表了。但他们大多采用的是标准策略:选择一种有趣的植物进行栽培,然后对其基因组进行测序。"Domingues 所在的小组对一种植物进行了测序,这种植物从农艺学的角度来看并不有趣,但从遗传学的角度来看却大有可为。"我们参考基因组的优势在于它来自'二倍体'个体。这项工作的协调人、雀巢食品安全与分析科学研究所基因组学高级专家 Patrick Descombes 解释说。他解释说,阿拉比卡咖啡是一种四倍体:它有两个基因组,因为它是由另外两个物种融合而成的。"与常见的四倍体品种相比,通过对阿拉比卡咖啡的二倍体进行测序,科学家们可以获得更清晰、更简化的基因组视图。这样就能更精确地识别相似基因之间的变异,促进分子信息在改良研究中的应用。在这项研究中,研究小组能够更准确地确定这种融合发生的时间:不超过60万年前,C. canephora和C. eugenioides融合形成这种四倍体杂交种,并继续其进化之路。"我们利用阿拉比卡、罗布斯塔和尤金尼欧亚种的DNA信息得出了这一结论:我们能够做出更准确的推断,因为以前这一区间的年代在5万年到100万年之间。"Domingues报告说:"我们将这一时间窗口缩短为 35 万年至 60 万年。"这篇文章最近发表在《自然-遗传学》(Nature Genetics)杂志上,是包括巴西在内的十多个国家的科学家联合攻关的成果,这些科学家与一个以上的机构合作。就多明戈斯而言,他的参与得到了巴西国家科学基金会(FAPESP)的部分资助,该基金会通过青年研究员项目和博士后奖学金授予了苏珊娜-蒂米-伊万本-铃木(Suzana Tiemi Ivamoto-Suzuki),苏珊娜-蒂米-伊万本-铃木也是文章的作者之一。野生与栽培咖啡的基因多样性"我们利用参考序列来了解非洲原产地野生阿拉比卡咖啡的多样性,并将其与当今种植的阿拉比卡咖啡进行比较,"ESALQ-USP 的科学家解释说,研究小组对种植在世界各地的阿拉比卡咖啡品种以及在埃塞俄比亚森林中采集的野生标本进行了重新测序,并设法了解了野生咖啡与种植咖啡之间的差异。为了从基因组学的角度了解阿拉比卡的进化史,该研究小组对 46 个样本进行了测序,其中包括 3 个罗布斯塔样本、2 个尤金尼欧样本和 41 个阿拉比卡样本。后者包括一个 18 世纪的模式标本(分类群作者在描述该分类群时指定的实物标本,作为该分类群的基础材料)、12 个具有不同育种历史的栽培品种、帝汶杂交种(阿拉比卡与抗虫害的C. canephora品种自发杂交)及其与阿拉比卡的 5 次回交,以及从埃塞俄比亚大裂谷东西两侧采集的 17 个野生样本和 3 个野生/栽培样本。"我们使用了最新的基因组技术,即来自高保真 PacBio 系统(用于基因测序)的长读数和来自 Illumina 的短读数(用于分析遗传变异和生物功能的集成系统)的近距离连接,来生成染色体组装。这种组合产生了最高质量和完整性的染色体级组装,"Descombes 说。寻求抗病能力据 ESALQ-USP 教授介绍,在栽培品种中,对育种非常重要的是引入抗咖啡叶锈病的基因。20 世纪 30 年代,巴西在这方面发挥了重要作用。IAC(坎皮纳斯农艺研究所,也位于圣保罗州)是研究和育种的先驱中心。坎皮纳斯农艺研究所的研究人员向我们提供了该机构早在 20 世纪 30 年代就开始实施育种计划的植物。以病害为导向的育种工作出现在 20 世纪 60 至 70 年代,主要工作是将一种抗锈病的阿拉比卡植物(即所谓的帝汶杂交种)与生长在不同国家的植物进行杂交,从而培育出抗锈病的新品种。但当时还不知道是哪些基因产生了抗性。帝汶杂交种于 20 世纪 20 年代在帝汶岛的田间被发现,具有天然抗锈病和其他病害的能力。除锈病外,咖啡浆果病、咖啡浆果螟和咖啡二化螟是影响世界许多地区生产的另外三种主要害虫。气候变化也是控制病虫害的一个关键问题,因为气候变化会使病虫害蔓延到新的地区。雀巢农业科学研究所植物遗传学和化学组经理莫德-勒佩利(Maud Lepelley)透露说:"不同地区之间的生咖啡豆贸易也是导致某些病虫害向新地区传播的另一个因素。"在现已发表的论文中,研究小组设法找到了文献中已经与抗病性相关的基因集,这些基因只存在于改良后的品种中。"帝汶杂交种以某种方式获得了这些抗病基因,现在我们知道是哪些基因了。它们有几十种,但我们已经缩小了搜索范围。阿拉比卡咖啡有 69000 个基因,而我们已经缩小到了不到 30 个。"多明戈斯指出:"能够确定这些以前未知的候选抗性基因,是我们研究中前所未有的成就。"但这项工作远未结束,因为这些基因还有待测试。还需要进行更多的研究,以确定并培育出能够抵抗这些病虫害和其他咖啡病虫害的品种。利用分子遗传学,该研究小组还能够进行三重分离,表明埃塞俄比亚野生植物的遗传多样性不同于今天种植的咖啡,这可能是由于瓶颈效应和驯化造成的,因为在驯化过程中很少有植物被选中。科学家指出:"我们在此表明,由于驯化前的多重瓶颈效应,野生标本的遗传多样性已经很低,而被人类选择用于种植的基因型,包括古老的埃塞俄比亚本地品种和较新的品种,已经在一定程度上混合了不同的品系。"基因表达与咖啡香气与此同时,多明戈斯小组还观察到了一些与咖啡品质,尤其是香味有关的基因表达事件。他们研究了萜烯合成酶(在植物中与抵御昆虫有关),以及一个与咖啡中脂质化合物有关的基因,该基因编码脂肪酸去饱和酶。"我们在一个亚洲阿拉比卡品种中观察到,与香气和风味相关的基因在果实中由C. eugenioides亚基因组表达的多于另一个亲本。换句话说,其中一个基因组对饮料感官特性的贡献大于另一个基因组。"Domingues 说:"我们现在想知道的是:这是否适用于我们测序的所有品种,包括改良前和改良后的品种?"探索阿拉比卡咖啡中的基因相互作用这项研究揭示了C. canephora和C. eugenoides基因之间的相互作用如何与阿拉比卡咖啡的香味等特征相关联。阐明基因之间的相互作用有助于增进我们对阿拉比卡咖啡重要特征的遗传机制的了解,而这是开发新品种的基本前提,可以保证未来咖啡产品所需的咖啡豆的生产。这项工作的衍生项目已经在进行中。"我刚刚与法国研究人员合作启动了另一个项目,这也是第一项工作的衍生项目。我们现在要分析非栽培咖啡物种。我们希望了解非咖啡物种的基因组,这些物种所包含的特征与气候变化情景相关。我们的重点是对气候适应能力较强的物种进行测序。我们想知道它们有哪些基... PC版: 手机版:

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科学家为阿拉伯豹制定基因拯救计划

科学家为阿拉伯豹制定基因拯救计划 由肯特大学杜瑞尔保护与生态研究所 (DICE) 、东英吉利大学 (UEA)、伦敦大学学院 (UCL)、诺丁汉特伦特大学 (NTU) 和阿曼皇家宫廷酋长院 (Diwan of Royal Court) 的科学家领导的一项国际合作调查了阿曼南部偏远的佐法尔山脉,以确定阿拉伯最后一种大型猫科动物的存活数量。通过部署照相机陷阱来识别豹子个体,并对野生豹子的粪便和圈养种群的样本进行DNA分析,研究小组估计阿曼可能只剩下 51 只野生豹,分布在三个孤立的、基因贫乏但截然不同的亚种群之间。尽管发现阿曼野生花豹种群的遗传多样性水平极低,但研究小组在整个地区的人工饲养花豹中发现了较高水平的遗传多样性,特别是在来自邻国也门的几个个体中,这些个体帮助建立了今天的人工饲养种群,这一重要的遗传资源有可能为阿拉伯豹的成功恢复发挥重要作用。研究小组的研究表明,通过"基因拯救",即把圈养豹的后代引入野生种群,可以最有效地恢复该地区日益减少的野生种群数量。然而,他们的预测表明,要想通过基因拯救重新引入豹子来建立最有生命力的种群,就必须仔细评估新基因所能带来的益处,特别是因为圈养的豹子可能已经是近亲繁殖。这项发表在《进化应用》(Evolutionary Applications)上的研究利用 DICE 的保护基因分析、UEA 开发的尖端计算机模拟以及在阿曼进行的大量实地考察,对阿拉伯豹的 DNA 进行了仔细检查,评估了其未来灭绝的风险,并预测了如何通过基因拯救来确保阿拉伯豹的生存能力。作者说,他们的研究成果可以帮助其他濒危物种。吉姆-格鲁姆布里奇(Jim Groombridge)教授在肯特郡的 DICE 领导了这项研究,他解释了基因分析是如何进行的:"我们与阿曼皇家宫廷的迪旺合作,调查并收集了佐法尔山脉各地的豹粪,从中提取了DNA,并使用微卫星DNA标记进行分析,以量化遗传多样性。""利用基因信息,我们能够确定野生豹的个体数量。然后,我们就可以比较野生豹群体和人工饲养豹群体之间的遗传多样性水平。"沙特阿拉伯皇家乌拉委员会阿拉伯豹保护负责人哈迪-希克马尼博士(Dr Hadi Al Hikmani)描述了这项研究的动机。阿拉伯豹是世界上最稀有的食肉动物之一,非常难以捉摸。在野外监测这些豹子的唯一方法就是在豹子生活的山脉高处部署相机陷阱,并收集它们在山口留下的粪便进行 DNA 分析。托马斯-伯利(Thomas Birley)是东南欧大学的一名博士研究员,他进行了基因拯救的计算机模拟,他说:"通过使用野生和圈养种群的基因信息,我们能够预测基因拯救的最佳方案,以确保这种极度濒危大型猫科动物的长期生存能力。"英国能源大学环境科学学院的科克-范-奥斯特豪特教授补充说:"问题在于,所有个体之间都有某种联系。他们是在人口大崩溃中幸存下来的少数祖先的后代。因此,要阻止近亲繁殖几乎是不可能的,这会暴露出'坏的'突变,也就是我们所说的基因负荷。反过来,这会增加死亡率,导致种群进一步崩溃。"'基因负荷构成了严重威胁,但可以通过基因拯救来缓解,我们的研究预测了实现这一目标的最佳途径。野生种群需要'基因拯救',需要人工饲养的基因更加多样化的豹子。这些豹子的基因更加多样化,有助于降低近亲繁殖和基因负荷水平。不过,我们也有可能将圈养种群中的其他不良变异引入野生种群,因此我们需要谨慎平衡。"编译来源:ScitechDaily ... PC版: 手机版:

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科学家通过基因编辑诱使癌细胞自毁

科学家通过基因编辑诱使癌细胞自毁 创新的关键在于引入了两个新的"开关"。第一个开关能使改造细胞在接触某种药物时,超越并主宰癌细胞群的其他部分。第二个开关会释放一种毒素,杀死现在占主导地位的改造细胞及其未改造的邻近细胞。发表在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)上的一项研究强调,这种"双开关选择基因驱动"方法解决了现有癌症治疗方法的核心难题。一些癌细胞不可避免地会进化出抗药性机制,从而在治疗中存活下来。细胞可能会使药物失活,关闭药物靶向的通路,或做出其他分子改变以维持生命。为了应对这种情况,医生通常会使用多种药物组合,以不同的方式攻击肿瘤。然而,这些选择是有限的,尤其是对于缺乏有效治疗靶点的难治癌症。新技术采用了一种截然不同的方法。它不是寻找新的药物或靶点,而是利用肿瘤快速进化的能力来对付它。在概念验证实验中,研究人员使用了肺癌细胞和药物厄洛替尼。通常,厄洛替尼是通过阻断表皮生长因子受体蛋白的活化来发挥作用的,而表皮生长因子受体蛋白是细胞不受控制生长的驱动力。然而,科学家们改造了肺癌细胞,通过第一个"自杀基因"来逆转厄洛替尼的作用,使细胞产生抗药性,并在接触药物后迅速增殖。将厄洛替尼应用于混合修饰和未修饰的癌细胞,可使经过编辑的细胞迅速成为肿瘤样本中的主要群体。一旦达到这种效果,研究人员就停止给药。然后,他们用一种名为 5-FC 的无害化合物激活了第二个"自杀基因"。这种基因能表达一种酶,将 5-FC 转化为剧毒抗癌药物 5-FU。由于被编辑的细胞现在占了肿瘤的大部分,释放的毒素有效地杀死了整个癌细胞群。研究人员在患有非小细胞肺癌(最常见的肺癌类型)的小鼠身上测试了这种方法,发现经过改造的细胞在20天内就超越了原来的肿瘤。到第80天,肿瘤完全消退。研究小组目前正努力在其他癌症类型和药物组合上测试这种方法。如果试验成功,它将为战胜癌症提供一种新方法。 ... PC版: 手机版:

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中国科学家实现以RNA为媒介的基因精准写入

中国科学家实现以RNA为媒介的基因精准写入 以CRISPR基因编辑技术为代表的技术进步实现了基因组单碱基和短序列尺度的精准编辑,基本解决了基因组精准编辑的挑战。然而,如何针对应用场景的需求,实现大片段DNA在基因组的高效精准整合,仍然是整个基因工程领域亟需突破的难题。该技术的突破意味着可以通过外源功能基因的精准写入,来干预多种不同位点基因突变导致的单基因遗传缺陷等疾病,从而开发更为通用的基因与细胞疗法,具有广泛的应用前景。针对这一重大技术挑战,多种基因写入技术已被开发,如CRISPR核酸酶介导的同源重组或非同源末端连接技术等,但是这些技术都依赖于DNA模板作为基因写入的供体(donor)。在实际医学应用中,DNA供体面临免疫原性高、在体(in vivo)递送困难、在基因组中具有随机整合风险等诸多挑战。相比之下,RNA供体具有免疫原性低、可被非病毒载体(例如LNP)有效递送、在细胞内迅速降解,无随机整合风险等特点,能有效应对DNA供体所面临的挑战。因此,以RNA为供体的大片段精准写入技术,在安全性、可递送性方面都具有显著的优势。然而,现有以RNA为供体的技术,要么无法实现>200 bp的DNA片段高效整合(如引导编辑等),要么依靠基因组随机整合从而带来基因组随机突变风险(如逆转录病毒等)。是否能够以RNA作为供体,实现功能基因尺度的大片段DNA基因组精准定点整合?仍然是基因工程领域面临的挑战。2024年7月8日,Cell杂志以长文形式在线发表了中国科学院动物研究所/北京干细胞与再生医学研究院李伟研究员与周琪研究员团队合作完成的题为All-RNA-mediated Targeted Gene Integration in Mammalian Cells with Rationally Engineered R2 Retrotransposons的研究论文。该研究结合基因组数据挖掘和大分子工程改造等手段,开发了使用RNA供体进行大片段基因精准写入的R2逆转座子工具,能够在多种哺乳动物细胞系、原代细胞中实现大片段基因(>1.5 kb)高效精准的整合,最高效率超过60%,成功实现了全RNA介导的功能基因(DNA)在多种哺乳动物基因组的精准写入,为新一代创新基因疗法的发展提供了基础。作为基因组进化的源动力之一,转座子可以通过在不同基因组间的"跳跃",实现自我的复制与扩增。其中,以RNA作为媒介的R2逆转座子的"跳跃"机制与以RNA作为供体的基因写入工具的开发思路不谋而合。同时,该类逆转座子天然倾向于整合在真核生物固定的28S rDNA基因组位点,这一位点在人基因组中拷贝数目多(约219个),且远离蛋白编码基因,是适合于外源基因整合的安全港位点("safe harbor"loci)。因此,R2逆转座子是以RNA为供体的大片段基因写入工具开发的有力的候选者。然而,尽管R2逆转座子早在上世纪80年代就被发现,其在哺乳动物细胞中的功能性质尚未被系统性地探索,迄今为止,未能被利用来在哺乳动物细胞中实现大片段功能基因的有效整合。在本研究中,研究团队首先通过数据挖掘,全面系统地分析了自然界中R2逆转座子元件的生物多样性;通过构建基于RNA供体的基因写入的报告体系,成功筛选出在哺乳动物细胞中具有完整GFP功能基因整合活性的R2Tg系统(来源于一种鸟Taeniopygia guttata 的基因组)。随后,研究团队针对R2Tg系统发挥功能所必需的两个关键组分:R2蛋白质以及供体RNA,进行了系统性的功能探索与工程化改造,最终获得了在人细胞系中基因整合效率超过20%的en-R2Tg工具。系统的工程化改造获得en-R2Tg工具由于R2蛋白质可以通过mRNA表达,且供体RNA本身也是RNA,那么,en-R2Tg工具能否以全RNA形式介导的基因的高效精准写入?为了探究这一点,研究人员通过体外合成获得了编码R2蛋白质mRNA以及供体RNA,并使用脂质体递送的方式将两条mRNA导入人的细胞中。结果显示,en-R2Tg工具能够高效整合多个与疾病治疗相关基因,且这些基因能够有效表达功能蛋白。能够以全RNA的形式发挥功能,意味着en-R2Tg工具可以使用安全性已经在临床上得到证明的LNP纳米材料来进行递送,这将有可能解决长久以来基因写入工具依赖病毒载体进行高效递送的难题。研究团队发现,使用LNP递送en-R2Tg工具在人的肝脏细胞系中能够实现25%的基因整合效率。此外,研究团队还证明R2工具在人类原代细胞中同样具有活性;同时,通过显微注射将en-R2Tg工具导入小鼠胚胎,成功实现了超过60%的GFP基因定点整合效率。本研究的另一关键点在于,工程化改造的en-R2Tg工具是否还保留有天然R2逆转座子的28S rDNA位点特异性整合这一性质?为了回答这一问题,研究人员结合无偏好的基因整合富集高通量测序以及全基因组三代测序方法,发现en-R2Tg工具在全基因组范围内展现了极高的基因整合特异性,大于99%的外源基因都精准整合到28S rDNA安全港位点。同时,结合qRT-PCR以及RNA-Seq实验,研究人员发现en-R2Tg工具对细胞的转录组状态几乎没有影响。这说明 en-R2Tg 介导的基因写入是位点精准特异的,可以有效避免逆转录病毒等技术所产生的基因随机整合导致的基因突变风险。综上,该研究基于自然界存在的R2逆转座系统,结合数据分析和工程化改造方法,成功开发了全RNA介导的、高效精准的基因写入技术,首次在多种人和小鼠细胞系及原代细胞中实现了功能基因的定点整合。R2基因精准写入工具在递送和安全性方面具有显著优势,未来有望基于此工具开发在体功能基因回补写入以及在体生成CAR-T细胞等全新的疾病治疗方法。值得注意的是,R2基因写入技术目前无法实现在不同基因组位点的可编程写入,且在人原代细胞中的基因写入效率较低,因此未来需要进一步发展和优化。开发全RNA介导的、高效精准的哺乳动物细胞大片段功能基因写入工具该研究由中国科学院动物研究所与北京干细胞与再生医学研究院合作完成,中国科学院动物研究所博士后陈阳灿、博士生骆胜球、博士后胡艳萍、博士生毛邦炜、王鑫阁与卢宗宝为本研究共同第一作者,中国科学院动物研究所李伟研究员与周琪研究员为共同通讯作者。该研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、北京市自然科学基金等的大力支持。 ... PC版: 手机版:

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