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杨辉团队首次证实，反转录子Retron系统可编辑哺乳动物基因组

2021

08/20

生物世界

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噬菌体与细菌与之间的攻防战争导致细菌发展出了精妙的防御系统，近年来生命科学领域最大的突破——CRISPR基因编辑技术，正是从细菌的防御系统发展而来。

撰文 | 王聪

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

噬菌体与细菌与之间的攻防战争导致细菌发展出了精妙的防御系统，近年来生命科学领域最大的突破——CRISPR基因编辑技术，正是从细菌的防御系统发展而来。实际上，细菌除了CRISPR系统之外，还有其他防御系统。

上世纪80年代，研究土壤细菌的研究人员困惑地发现，许多单链DNA短序列散布在细菌的细胞质中。1984年，约州立大学石溪分校的 Thomas Yee 等人最早在 Cell 论文中提到了这一发现【1】。

紧接着，研究人员发现每一个DNA片段都会与带有互补碱基序列的RNA相连，这使得他们意识到是逆转录酶从附着的RNA中合成了DNA，并由此形成了一个由RNA、DNA和酶组成的复合体。随后科学家们发现这一复合体即是反转录子（Retron）。

直到36多年后的2020年，以色列维茨曼研究所的 Rotem Sorek 团队在 Cell 发表论文，首次解析了反转录子（Retron）的功能，证实其是细菌抵抗噬菌体的防御系统【2】。详情：Cell论文揭示细菌的另一种防御系统，具有基因编辑潜力

当研究人员了解到反转录子（Retron）跟CRISPR系统类似，是细菌中的一种防御系统后，基于反转录子（Retron）的基因组编辑开始吸引越来越多的目光。

CRISPR系统具有很强的靶向性，但并不擅长在目标DNA中引入新序列。与之相对，反转录子（Retron）可以通过逆转录酶制造大量靶标序列的副本，这些副本可以被有效地拼接到宿主基因组中。

因此，如果能将反转录子与CRISPR整合在一起，那么或许能开发出一种全新的、功能更强大的基因编辑工具。

实际上，早在2018年，斯坦福大学的 Hunter Fraser 等人就推出了一款基于反转录子（Retron）的基因编辑工具【3】，将其命名为CRISPEY。

而在2021年4月27日，哈佛医学院乔治·丘奇（George Church）团队也开发了一款基于反转录子（Retron）的基因组编辑新工具，将其命名为Retron Library Recombineering（RLR）。

但上述基于反转录子的基因组编辑系统效率还很低，且尚未证明能在哺乳动物细胞中发挥作用。尽管如此，反转录子在基因组编辑应用中仍显示出独特的优势。

2021年8月17日，中科院脑科学与智能技术卓越创新中心杨辉研究员、辉大生物孔祥锋博士等在 Protein ＆ Cell 期刊发表了题为：Precise genome editing without exogenous donor DNA via retron editing system in human cells 的论文【5】。

该研究对反转录子（Retron）进行了优化改进，首次证实反转录子（Retron）系统可在哺乳动物细胞中进行基因编辑。

反转录子（Retron）会通过逆转录产生单链多拷贝卫星DNA（msDNA），有研究表明，msDNA可以充当重组供体，在基因组中进行基因编辑。这种编辑方式与CRISPR不同，不需要额外的gRNA。

在这项研究中，研究团队通过将Cas9与来自不同进化枝的大肠杆菌逆转录酶（RT）融合，并在反转录子（Retron）的ncRNA 的5'端连接gRNA，发现这种改造后的反转录子（Retron）编辑系统可以在人类细胞中有效地实现精确的基因组编辑（HDR同源重组修复）。其中Cas9-Ec73RT和3’Ec73 rgRNA组合的效率最高，可达10%。

研究团队表示，可以采取多种方法来改进反转录子（Retron）系统在人类细胞中的编辑。首先，可以鉴定更适合人类细胞基因组编辑的反转录子（Retron）；其次，可以通过工程化手段改造Retron-RT和Retron-ncRNA，增强其活性；最后，可以用 Cas9（D10A）切口酶单体Cas9，减少Cas9造成的DNA双链断裂带来的可能副产物。

总的来说，这项研究首次证明了细菌的防御系统反转录子（Retron）可以用于哺乳动物细胞的精确基因组编辑，而且可以避免Cas9带来的DNA双链断裂，可能更加准确和安全。有望为体外和体内基因编辑治疗带来全新的基因编辑系统。

论文链接：

1. https://doi.org/10.1016/0092-8674(84)90541-5

2. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065

3. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.08.057

4. https://www.pnas.org/content/118/18/e2018181118

5. https://doi.org/10.1007/s13238-021-00862-7