如果人类能够复活我们的一位远古祖先,我们就能比任何对尘封骨骸和人工制品的研究所揭示的更快地了解古人是如何生活的。我们的祖先甚至可能教会我们一些古老的技巧,这些技巧可以用来帮助今人。
这本质上是德国和匈牙利的研究人员在重塑Harbinger3_DR时所追求的目标,Harbinger3_DR是至少两种现代人类基因的早已灭绝的先驱:他们想观察它在活细胞内的运作。Harbinger3_DR不仅仅是任何DNA遗迹,它还是一个古老的转座子——一种所谓的跳跃基因,能够将自身从生物体的基因组中切除,并重新插入到不同的位置。现代科学家非常希望掌握它的秘密,以便他们能够更精确地控制用于基因治疗的基因插入病人DNA链的位置。
在人类基因组中,原始Harbinger3_DR仅存遗迹,但在其他生物体(包括斑马鱼)中,转座子的变体依然活跃。这些研究表明,该基因倾向于定位于包含特定DNA序列的基因组区域。“我们选择Harbinger3_DR的原因是其出乎意料的特定插入位点,” 柏林马克斯·德尔布吕克分子医学中心的Zoltán Ivics说道,他是这项实验的负责人。“我们希望将这种[重生的]元件用于后续研究,以了解它是如何选择这个特定靶位点的。”
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以斑马鱼基因为模板,Ivics的研究小组合成了Harbinger3_DR,使其具备在人类细胞中发挥作用的必要组成部分。大多数基因编码对生物体有用的蛋白质,而转座子是自私的寄生虫,仅编码足够的机制来保持自身在基因组中移动。该机制通常包括一种酶,称为转座酶,它执行切割和粘贴。Harbinger3_DR序列还编码了一种神秘分子,研究人员称之为Myb样蛋白,因为它与另一种蛋白质相似。
科学家们将构建体导入培养的人类细胞中,细胞开始制造转座子编码的蛋白质。Ivics和他的同事观察到,Myb样蛋白对于将转座酶导入细胞核以及将其募集到转座子的末端至关重要,在那里,酶首先从DNA链上切割基因,然后将其粘贴到新的位置。在后续实验中,Ivics希望更详细地了解这两种蛋白质如何控制基因的插入位点。“我们希望我们可能会发现DNA相互作用的某些方面,这些方面可以帮助我们指定或设计某些结构域来靶向基因,”他解释说。
Ivics和其他研究人员希望推动转座子作为更安全的治疗基因递送载体投入使用。目前,灭活病毒是将新基因永久插入患者DNA的唯一手段,但病毒相当随机地整合到宿主基因组中。病毒插入关键基因已在几位基因治疗接受者中引发了致命的白血病。极少数情况下,病毒也可能重新获得繁殖能力,带来感染风险。
威斯康星大学麦迪逊分校的分子生物学家和生物安全专家Margy Lambert认为,控制转座子以递送基因治疗的关键在于学习如何将它们靶向基因组的特定区域,远离重要基因,并在它们到达所需位置后禁用该元件的跳跃能力。Lambert表示,如果这些问题能够得到解决,转座子介导的基因递送将代表“一项重大进步,因为它们具有灵活性,可以最大限度地发挥[病毒载体]的优势,并最大限度地减少劣势。”
几位研究人员已经在致力于创建缺乏制造自身转座酶能力的转座子。这些变体可以被递送到细胞中,仅需足够的酶即可整合自身一次,然后保持不动。
Ivics曾在1997年复活了另一种古老的转座子,他将其命名为“睡美人”(Sleeping Beauty)。去年,他展示了可以通过将“睡美人”导向特定靶序列来控制其插入位点。“即使这项技术尚未成熟到足以用于临床,但概念验证已经完成,”他说。研究Harbinger3_DR转座子如何自然地靶向特定序列也可能揭示一些有用的新技术。
耶鲁大学医学院的遗传学家田旭(Tian Xu)表示,转座酶和Myb样蛋白之间的合作“非常不寻常”,他在小鼠和人类细胞中使用一种不同的转座子,称为piggyBac。“这项非常重要的研究为了解转座子的工作原理提供了新的思路。”
Ivics预计,他研究得更透彻的后代“睡美人”将在大约五年后准备就绪,首次亮相基因治疗试验。
注:本文最初以标题“古老基因,全新妙招”发表。