来自张峰的学生Patrick Hsu发现了一种新的重组酶 它可以有效地将大DNA整合到人类基因组中

来源：生物世界2022-10-17 16:02

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，你可以很容易地通过聚合酶链式反应(PCR)克隆一个基因，并将其连接到相应的表达载体(质粒)上。

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，你可以很容易地通过聚合酶链式反应(PCR)克隆一个基因，并将其连接到相应的表达载体(质粒)上。

遗憾的是，上述分子克隆实验通常在原核生物(如细菌)中进行，但对真核生物基因组的操作，尤其是几千个核苷酸的DNA序列的整合，仍然非常具有挑战性。这也限制了合成生物学、细胞工程和基因治疗等新领域的发展。

2022年10月10日，美国Arc研究所的Patrick Hsu和斯坦福大学的研究人员在《自然生物技术学》杂志上发表了一篇题为《用于将大DNA序列高效整合到人类基因组中的重组酶的系统发现》的研究论文[1]。

这项研究开发了一种算法，可以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可以高效地将7kb以上的大DNA片段插入到人类基因组中，为基因组工程研究和人类遗传病的治疗提供了新的百宝箱！

值得一提的是，该论文的第一个签署者Arc Institute在去年年底正式成立时，曾在世界范围内引起轰动。该研究所是由硅谷技术亿万富翁帕特里克科利森创建的，他为妻子希尔瓦娜科勒曼捐赠了5亿美元。

Silvana Konermann和Patrick Hsu是Arc Institute的联合创始人。他们都是张峰的博士生。2018年3月，两人共同发表了一篇细胞论文[2]，使用小型化的CRISPR基因编辑系统CasRx治疗阿尔茨海默病。

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，越来越多的人类遗传病基因相继被发现。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成为一种很有前景的治疗方法。

遗传病的原因有很多。有时，编码蛋白质的基因中只有一个碱基是错的，但有时，一大段基因可能被删除、复制或重排，这只能通过基因整合来修复。目前，DNA双链断裂(DSB)主要用于实现基因整合，如同源重组(HR)。然而，这种基因编辑方法是不可靠的，有时会导致双链DNA断裂附近的碱基缺失或随机DNA片段插入。

因此，这项研究的通讯作者Patrick Hsu博士及其团队希望开发一种分子工具，可以将大DNA片段整合到人类基因组中，而不会导致DNA双链断裂，也不依赖于细胞的DNA修复机制。

许(右)是第一位研究生(左)。

基于假设的新工具的特征，研究小组专注于可移动的遗传元件，大丝氨酸重组酶(LSR)，它天然存在于噬菌体中。

大丝氨酸重组酶(LSR)是噬菌体携带的整合酶，通过识别细菌基因组和噬菌体DNA片段中的特定序列，将大DNA序列整合到细菌基因组中。这种机制使得插入位点特异性的大DNA片段成为可能，不需要任何细胞辅因子，也没有有害的DNA双链断裂(DSB)。

在这项最新研究中，研究小组设计了一种算法，在不同种类的噬菌体中搜索可能的LSR序列。经过粗略筛选，他们发现了6207个具有序列特异性的LSR。这使得已知的LSR数量增加了100多倍。

新LSR的系统发现和分类

然后，研究小组合成并测试了60多种不同的新发现的LSR，其中最多的

高效的新型LSR大大优于其他重组酶。例如，与此前常用的Bxb1相比，新型LSR的质粒重组效率要高7倍，基因组插入效率为40-75%，插入的DNA片段大小超过7kb。

新型LSR具有很高的插入重组效率

基于这些关键特性，研究团队将收集到的新型LSR分类为着陆垫型、基因组靶向型或多靶向型，并指向三种不同的应用：1）在基因组着陆区（landing pad）上安装扩增文库的新方法；2）大片段DNA的基因组整合和同一细胞内多个区域的同时整合；3）直接靶向人类基因组的特定位点。

着陆垫型LSR

不仅如此，研究团队还展示了新型LSR可以在无病毒载体递送的情况下，直接整合质粒或扩增子文库到基因组上，显示了它们在改进功能基因组学应用研究中的强大潜力。此外，研究团队还指出，这些LSRs可以用于细胞的生产，与目前使用慢病毒介导的转基因递送相比，LSRs可以将目标基因整合到特定位点，极大地避免了慢病毒介导转基因递送的随机性。

特异性人类基因组靶向重组酶的发现

总而言之，这项研究通过算法检索到数千种新型LSR，并对其中60多种LSR进行了功能验证，表明这些新型LSR具有更高的重组效率，且最大可以插入超过7kb的DNA大片段，为基因编辑的工具箱又增添了一种新工具，为人类遗传病治疗开辟了新道路。

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