作者:张彤雯,代红胜 (南方医科大学基础医学院)
南方医科大学基础医学院免疫学教研室代红胜教授课题组近日在Genome Biology (IF 10.1)发表了题为“低抵抗性的Cas13f1基因驱动在HSV1病毒间的传播”的研究论文(图一)。
图一:基因驱动能够在DNA病毒基因组中扩播,其功能上类似于能感染病毒的“病毒”。
基因驱动是在种群繁殖过程中具有优先传递给下一代的基因序列,这一超孟德尔遗传的特点促使基因驱动携带的性状能在种群中逐渐扩播直至完全占领。对种群繁殖或个体复制有干扰功能的基因驱动在控制农业害虫和病原微生物方面有巨大的应用潜能。天然基因驱动,包括转座子、归巢内切酶基因和减数分裂驱动基因等,通常受限于较低的转化效率和操作性。近年来易于操作的合成性 CRISPR-Cas9 基因驱动被开发出来并在控制农业害虫展现出很高的效率。
CRISPR-Cas9 基因驱动由两个部分组成:(1) Cas9 核酸酶和 sgRNA 编码序列,和 (2) 与 sgRNA 靶位点匹配的相邻 DNA 片段。CRISPR-Cas9 基因驱动通过Cas9 核酸酶和sgRNA特异性地断裂等位基因,随后以自身为模板引导同源重组修复,导致基因驱动在子代中扩播。CRISPR-Cas9基因驱动已在酵母、果蝇、蚊子、小鼠中建立。Cas9 诱导的断裂等位基因还可以通过非同源末端连接进行修复,这常在 sgRNA 靶点内引入小的插入或缺失。由于此类突变导致等位基因失去与 sgRNA 的互补性,它们不再受到 Cas9 基因驱动的编辑,被称为抗性等位基因(图二A)。抗性等位基因可累积并最终阻止Cas9基因驱动的传播,这是Cas9基因驱动的。
Cas12f1 是一种新型 CRISPR 核酸酶,使用 sgRNA 中的 19 nt 序列匹配靶 DNA,并在 PAM 上游 22 nt 和 24 nt 处切割。由于 Cas12f1 的切割位点位于靶等位基因的碱基配对区之外,即使在非同源末端连接修复断裂等位基因后,sgRNA 靶序列仍可保持完整(图二B)。因此,Cas12f1 可以在同一位点进行多轮编辑,直到靶标和 sgRNA 之间的互补性丧失。Cas12f1 能够在 sgRNA 靶标附近进行连续切割,这将大大增加靶标等位基因被 同源重组修复并转化为基因驱动的机会。Cas12f1 基因驱动还没有被开发出来,其扩播的特点也不清楚。
本研究中,作者构建了Cas9 和 Cas12f1基因驱动器,并系统的比较了这两类基因驱动在一种DNA 病毒 (HSV1) 中扩播的特点(图二C)。Cas9和Cas12f1基因驱动能够在HSV1群体中传播,并且对其靶位点具有特异性,并且它们在HSV1病毒之间的传播不会因病毒携带者适应性降低而受到显着影响。由于 HSV1 的快速复制,基因驱动在HSV1中的扩播速度远远快于迄今为止已经测试的其他物种。Cas9 和 Cas12f1 基因驱动都非常有效,即使引入频率较低,也能够快速转换大部分等位基因。
这两类基因驱动也有其各自的特点。Cas12f1 基因驱动在高引入频率下的传播与 Cas9 基因驱动类似,但在低引入频率下的传播速度比 Cas9 基因驱动慢。然而,Cas12f1 基因驱动优于 Cas9 基因驱动,因为在所有情况下它们都比 Cas9 基因驱动具有更高的渗透率和更低的抗性。由于较低的抗性和较高的渗透率,Cas12f1 基因驱动有可能取代 Cas9 基因驱动来控制有害种群。
图二: CRISPR-Cas系统和病毒基因驱动的工作机制。
该论文于2023年12月4日首先公布在bioRxiv,科学杂志(Science)介绍了这一发现(https://www.science.org/content/article/fighting-viruses-viruses-gene-drive-offers-new-strategy-beat-infections)。最近美国Fred Hutchinson肿瘤中心的Marius Walter等也报道了他们开发的携带Cas9 基因驱动的 HSV1病毒(Nature Communications,2024),进一步证明了Cas9 基因驱动虽然有效但是容易导致靶位点的突变而使得Cas9基因驱动失效。该团队也引用代红胜教授的研究以提示Cas12f1基因驱动的独特优势,以及规避基因驱动抗性的重要性。
论文作者有代红胜课题组已毕业硕士生林壮杰、姚巧睿、赖可元和曾宪英。其他作者包括缴克华(上海市保健医疗中心)和雷冠雄(湘南学院)。代红胜教授和张彤雯博士(博济医药)为共同通讯作者。
Genome Biology
doi:10.1186/s13059-024-03455-9
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基因和遗传学 | JCR Q1
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Cas12f1 gene drives propagate efficiently in herpesviruses and induce minimal resistance
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