蘇芊 科技日報(bào)記者 劉傳書
“生命是一串復(fù)雜的密碼”。
【資料圖】
人類有兩萬多個(gè)基因，儲存著生命從生長到凋亡的全部信息。從發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)，到解讀、編寫DNA，科學(xué)家們不遺余力地探索DNA的秘密，賦予生命規(guī)律以科學(xué)意義。
8月2日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然—通訊》的研究，提供了利用多重復(fù)合的堿基編輯技術(shù)在人類基因組中能將蘊(yùn)藏遺傳信息的堿基序列TAG轉(zhuǎn)換為TAA的技術(shù)框架，并一次轉(zhuǎn)染成功實(shí)現(xiàn)了多達(dá)33個(gè)基因位點(diǎn)的同步編輯，將來結(jié)合蛋白質(zhì)工程化可賦予細(xì)胞抗病毒的能力。
該研究為哺乳動(dòng)物基因組多重復(fù)合編輯，以及基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細(xì)胞系提供了方向與路徑。
深圳先進(jìn)院合成所陳宇庭博士，哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Eriona Hysolli博士，哈佛大學(xué)陳安璐博士和哈佛大學(xué)Stephen Casper為共同第一作者；哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院George Church教授、深圳先進(jìn)院合成所劉陳立研究員與哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院Eriona Hysolli博士為共同通訊作者。
編寫生命體的“摩斯密碼”
戰(zhàn)爭時(shí)期，人們通過摩斯密碼傳遞信息。而在生命體中，也蘊(yùn)藏著一串“遺傳密碼”。
在DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，A、T、C、G是其結(jié)構(gòu)上的堿基，通過不同的堿基配對，最終可以排成64個(gè)密碼子，這被稱為生命的“遺傳密碼”包括了能夠編碼20種天然氨基酸的61個(gè)密碼子，以及作為終止信號的3個(gè)密碼子。而該成果正是利用基因組重編碼技術(shù)針對“遺傳密碼”進(jìn)行編碼，旨在賦予生命體或細(xì)胞以抗病毒能力。
2016年，George Church等人提出了GP-write，旨在從被動(dòng)讀取基因組轉(zhuǎn)向主動(dòng)編寫基因組，利用生物工程技術(shù)以解決人類面臨的許多全球問題，如病毒感染、瀕危物種增多、氣候變暖等。2018年，GP-write發(fā)起者們提出了基因組重編碼來構(gòu)建抗病毒人類細(xì)胞系計(jì)劃。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)潛在方案來制備抗病毒人類細(xì)胞系，即在全基因組范圍內(nèi)將終止密碼子TAG轉(zhuǎn)化為TAA，并將內(nèi)源性真核釋放因子替換為具有選擇性通讀的工程化突變體，使得人類細(xì)胞系具有抗病毒的能力。
研究初期，為了快速且精準(zhǔn)地定位DNA密碼子的具體位置，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了GRIT軟件。
“GRIT軟軟件就像一個(gè)‘搜索引擎’，它能夠在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行搜索、定位所需要的密碼子，同時(shí)能夠提供改造密碼子所需的向?qū)NA（gRNA）。我們利用GRIT軟件識別了人類基因組中所有的TAG密碼子，并合成了將TAG轉(zhuǎn)換為TAA的gRNA，用于堿基編輯，”陳宇庭說道。
隨后，他們借助多個(gè)gRNA同步遞送及胞嘧啶堿基編輯器（CBE）穩(wěn)定表達(dá)進(jìn)行非靶向鏈C到T修改，成功實(shí)現(xiàn)將TAG轉(zhuǎn)換為TAA，并通過全基因組測序、RNA測序、核型分析3種方式對單克隆細(xì)胞的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行評估，結(jié)果顯示一次轉(zhuǎn)染成功實(shí)現(xiàn)了33個(gè)基因位點(diǎn)的同步編輯，且沒有觀察到細(xì)胞基因表達(dá)異常及明顯的染色體異常等。
基因編碼邁出“抗病毒”第一步
人類基因組重編碼是一個(gè)系統(tǒng)而復(fù)雜的基因組工程。在本研究中，從識別基因組位置到多位點(diǎn)基因編輯，再將每個(gè)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)環(huán)節(jié)形成最終系統(tǒng)的、可操作的工作框架是難點(diǎn)之一。
研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)4年，經(jīng)過數(shù)次模擬、實(shí)踐與驗(yàn)證后，成功構(gòu)建了在人類全基因組范圍內(nèi)將TAG終止密碼子轉(zhuǎn)換為TAAs的工作框架，同時(shí)也在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了通過一次轉(zhuǎn)染在單個(gè)克隆中多達(dá)33個(gè)基因位點(diǎn)編輯。
該研究邁出了基因組重編碼制備抗多種天然病毒人類細(xì)胞系的第一步，初步證明了TAG轉(zhuǎn)換為TAA在人類基因組中的可行性，同時(shí)創(chuàng)造了一次遞送在人類基因組中數(shù)十個(gè)非重復(fù)位點(diǎn)同步堿基編輯的記錄，為哺乳動(dòng)物基因組的大規(guī)模工程化改造提供了一個(gè)工作框架。
如今，讀取DNA密碼的技術(shù)日漸精進(jìn)，但主動(dòng)、高效、多位點(diǎn)的編寫或編輯DNA密碼來制備抗病毒的細(xì)胞系仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
“我們雖在多位點(diǎn)基因編輯技術(shù)上有了階段性的突破，但在抗病毒細(xì)胞系的制備仍有多工作需要做。例如，需要針對更多位點(diǎn)進(jìn)行基因編輯，并優(yōu)化各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，蛋白質(zhì)工程化改造等，”陳宇庭表示，研究團(tuán)隊(duì)將利用基因組重編碼技術(shù)在提升細(xì)胞系抗病毒能力方面進(jìn)一步研究，“通過這一研究，希望能夠吸引更多人關(guān)注到基因組大規(guī)模編輯或編寫及重編碼制備抗病毒細(xì)胞系這一領(lǐng)域，共同進(jìn)行下一步的研究”。
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