自1948年Barbara McClintock首次報道轉座子以來，這類跳躍遺傳元件對宿主演化的重要意義逐漸被揭示。其中，DNA轉座子作為主要類型之一而備受關注。然而，由于以往工作多為個案研究，DNA轉座子活性的決定因素與進化模式的一般規(guī)律尚不清晰。盡管DNA轉座子可作為基因工程工具用于插入誘變或轉基因載體，但目前只有Sleeping Beauty等少數(shù)幾種轉座子得到開發(fā)和應用。因此，挖掘具有不同功能特點的轉座子工具亟待開展。

6月5日，中國科學院動物研究所張勇和王皓毅研究組在《細胞》（Cell）上在線發(fā)表了題為Heterologous survey of 130 DNA transposons in human cells highlights their functional divergence and expands the genome engineering toolbox的研究論文。該研究篩選到40個在人源細胞中具有轉座活性的新型DNA轉座子，解析了DNA轉座子的活性相關因素和進化動態(tài)。這些具有不同功能特點的轉座子拓展了相關基因工程工具箱。尤為重要的是，轉座子Mariner2_AG（MAG）在CAR-T免疫治療實驗中展現(xiàn)出高活性，具有臨床應用價值。

該研究建立了遺傳多樣性數(shù)據(jù)的挖掘模式，基于生物信息分析在102個無脊椎和脊椎動物基因組中預測了130個潛在活躍的DNA轉座子。人源細胞中的高通量篩選實驗進一步驗證了40個轉座子具有異源轉座活性。其中，來自蚊子的Mariner2_AG以及來自洞穴魚的Tc1-2_St等轉座子活性超越了經過大量優(yōu)化的SB100X。

這一成果將哺乳動物中活躍轉座子載體的數(shù)目從20提升至60，拓展了其進化多樣性。該研究通過比較活躍與不活躍的轉座子，發(fā)現(xiàn)高活性DNA轉座子富集在Tc1/mariner超家族。這與該超家族轉座子頻繁發(fā)生水平基因轉移的特點吻合。

該研究探討了影響轉座活性的序列特點。在Tc1/mariner超家族中，轉座子末端的反向重復若相對較長且其內部包含正向重復，那么該轉座子更可能有活性且活性較高。除了非編碼區(qū)特征外，研究在轉座酶編碼區(qū)證實了Tc1家族和hAT超家族中對轉座活性具有重要影響的已知功能性位點的絕對保守性，并報道了更多新的功能氨基酸位點。

考慮到新型轉座子作為基因工程工具的潛在可能，科研人員進一步剖析了新型轉座子的整合偏好性和基因承載能力等功能屬性。來源于不同超家族的高活性轉座子展示出三種整合偏好模式——接近于隨機的整合模式如Tc1家族成員、偏好于異染色質區(qū)域如piggyBac-1_AMi轉座子、偏好于轉錄活躍區(qū)域如hAT超家族成員。這些DNA轉座子的整合偏好性差異代表其在不同領域的應用潛力，如第三種轉座子可用于增強子或基因定位分析?；虺休d能力分析則顯示出活性最高的Mariner2_AG轉座子在這一方面的優(yōu)勢，即Mariner2_AG轉座子在承載10kb的外源基因時可表現(xiàn)出高達30%的轉座效率。

該團隊初步研究了MAG轉座子用于CAR-T免疫治療的能力，揭示了MAG轉座子作為基因治療載體的優(yōu)越性。相比于常用的慢病毒和SB100X載體，MAG轉座子制備的CAR-T細胞在人Burkitt's淋巴瘤細胞系Raji構建的惡性血液瘤模型和人肺鱗癌細胞系NCI-H226構建的實體瘤模型中，展現(xiàn)了更佳的治療效果與更長的存活時間。

該研究基于自然界的動物遺傳多樣性開展了迄今為止最大規(guī)模的DNA轉座子活性篩選工作，獲得了目前最大的活躍DNA轉座子載體數(shù)據(jù)集。上述成果揭示了與轉座活性相關的進化因素和功能特征，并擴展了基于DNA轉座子的遺傳工具箱。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、農業(yè)農村部、科學技術部、中國科學院等的支持。

論文鏈接

系統(tǒng)篩選活躍DNA轉座子

130個新型DNA轉座子和20個已知活躍DNA轉座子的進化樹