DNA转座子系统的成员是最多的,包括大名鼎鼎的睡美人转座子(sleeping beauty transposon,SB):

关于SB转座子的发现,这中间还有一个美丽的故事。科学家们犹如王子,唤醒了鲑鱼中已经失活了千万年的转座子系统,而在这个过程中,生物信息学分析方法起到了关键的作用。在1997年,Ivics等人通过生物信息学分析方法,找到了鲑鱼转座子的保守序列,从而确定了已经灭绝的鲑鱼中具有活性的睡美人转座酶的基因序列,随后对这个古老的转座子进行了分子水平的重建,最终成功唤醒了沉睡千万年的转座子活性,因而得名睡美人。

而今天我们要讲的是一个新的人工修饰的转座子系统:piggyBac piggyBac转座子最初于1983年在飞蛾体内发现,但直到2005年才成功用于哺乳动物细胞的基因编辑,它的特点有如下: (1)作为经修饰后的DNA转座子,piggyBac有两个组成部分,转座子和转座酶;(2)piggyBac转座酶促进转座子的基因组整合,尤其喜好基因组的TTAA位点; (3)转座酶也能以完全无缝的方式切除转座子,不留下任何序列或突变; (4)piggyBac具有较大的载货能力(已证明超过200 kb),并且没有已知的上限。

piggyBac质粒

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(1)红色箭头所指向的两个橙色小元件是piggyBac的末端重复序列(IR),这个序列可被转座酶识别并且切割,同样这个序列会倾向于转座至基因组的TTAA位点; (2)可以看到左右两个IR之间有新霉素和卡那霉素抗性基因(NeoR/KanR),可用于作为筛选标记。随后CMV、T7启动子后面接着的增强型绿色荧光蛋白(EGFP)也可以作为筛选标记; (3)除第(2)描述的元件外,我们不难看到在NeoR/KanR两侧有loxP标记,因此在转座子整合成功后,还可以使用Cre将抗生素筛选标记切除,以免与后续基因编辑冲突。需要注意的是使用Cre后,基因组中会留下一个loxP位点,这将改变内源性DNA序列,从而导致细胞毒性; (4)需要注意piggyBac被整合到基因组之后,该转座子的IR序列还能被转座酶识别,从而完全无缝的切除piggyBac转座子。

5. piggyBac系统的注意事项

下面根据所查到的资料以及个人使用经验,罗列自己能想到的使用注意事项: (1)piggyBac的投递方式是质粒转染,因此细胞的被转染效率非常重要; (2)使用piggyBac时,基因被完整地插入基因组,而使用标准的DNA质粒转染时,被插入基因可能出现双链断裂; (3)可以通过提高转座酶与转座子的比率提高转座子的整合率; (4)应用piggyBac构建过表达细胞系的时候需要注意基因过表达不是越高越好,过高的蛋白表达可能导致细胞死亡,因此转座酶与转座子的比率还需要使用者根据实际情况决定; (5)piggyBac倾向于整合到染色质开发区域,例如启动子和外显子区域,如果细胞的染色质结构经历了重大的重排(如当干细胞开始分化),任何整合的转基因一样,可能会发生转基因沉默。因此建议在分化过程中保留筛选标记,同时还可以使用PCR跟踪整合效率; (6)piggyBac可以和其他基因编辑手段结合,如CRISPR/Cas9、TALENs和ZFNs等,使得基因编辑更加灵活。例如和CRISPR/Cas9结合时,piggyBac可作为一个HDR模板被整合到基因组中,而后期还可使用转座酶移除; (7)piggyBac加载的片段太大时,有可能使ITR的核酸酶位点被破坏,从而防止再次切割。

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