中科院Nature子刊基因组编辑新成果

　　

生物通报道  来自中科院生物物理研究所的研究人员通过采用体细胞表达转录激活因子样效应物核酸酶(transcription activator-like effector nucleases,TALENs)，在线虫中实现了条件性靶向基因组编辑。这一研究成果在线发表在8月18日的《自然生物学技术》（Nature Biotechnology）杂志上。

中科院生物物理研究所的欧光朔(Guangshuo Ou)研究员和李薇（Wei Li）博士为这一论文的共同通讯作者。欧光朔研究员的主要研究方向是发展活体荧光时序成像技术并结合生物化学和遗传学，以线虫为模型研究细胞骨架和信号转导蛋白如何调控神经系统的发育。

数十年来，线虫已成为了一种研究基础生物学和人类疾病的通用模式系统，许多的遗传工具和资源适用于这一生物体。在20,377个预计蛋白质编码基因中，当前有6,764个基因主要通过随机化学诱变或是基于Mos1转座子的靶向性基因敲除方法，实现了基因敲除或剔除突变（null mutation）。然而，采用当前的技术无法以靶向性方式条件性编辑野生型线虫基因组，限制了科学家们解答生物学疑问。

TALEN技术是近年来科学家们开发的一种基因组编辑新技术，能够在基因组生成位点特异性突变。TALENs是一种人工改造的限制性内切酶，由非特异性的核酸内切酶的切割域(FokⅠ)，与能够识别一段可预测DNA序列的定制重复结构域融合构成。特异性的DNA识别域是由一些非常保守的重复氨基酸序列模块组成，每个模块一般由34个氨基酸（aa）组成，其中第12,13位氨基酸种类可变且决定了该模块识别靶向位点的特异性。通过DNA识别域结合到靶位点上，FokI的切割域形成二聚体，可以特异性地在靶向位点诱导DNA双链断裂，损伤后的DNA在非同源末端连接修复过程中，会由于碱基的随机增减造成断裂点诱变缺失或插入。

尽管科学家们已将TALENs应用于编辑广泛的生物体基因组，但它们仍然局限于线虫的培育细胞或胚胎，及生殖细胞系。到目前为止还不清楚是否能够将TALENs应用于多细胞生物的体细胞。

在这篇文章中，研究人员开发了一种方法通过在线虫体细胞中表达TALENs实现了条件性基因敲除。通过采用可诱导或组织特异性启动子控制下，编码TALENs的质粒来改造生殖细胞，研究人员还在特定的发育阶段和组织中观察到了有效的基因改造，以及由此产生的表型。Cor-1基因负责编码人类重症联合免疫缺陷（SCIED）蛋白coronin的同系物。在进一步的研究中，研究人员利用这方法绕开了胚胎对于cor-1的需求，并在幼虫Q-细胞系中确定了cor-1对细胞迁移起至关重要的作用。

这些研究结果表明，在模式生物体细胞中表达TALENs，是适应于功能基因组学研究的一种万能工具。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Conditional targeted genome editing using somatically expressed TALENs in C. elegans

We have developed a method for the generation of conditional knockouts in Caenorhabditis elegans by expressing transcription activator–like effector nucleases (TALENs) in somatic cells. Using germline transformation with plasmids encoding TALENs under the control of an inducible or tissue-specific promoter, we observed effective gene modifications and resulting phenotypes in specific developmental stages and tissues. We further used this method to bypass the embryonic requirement of cor-1, which encodes the homolog of human severe combined immunodeficiency (SCID) protein coronin, and we determined its essential role in cell migration in larval Q-cell lineages. Our results show that TALENs expressed in the somatic cells of model organisms provide a versatile tool for functional genomics.

作者简介：

欧光朔
 
专家类别: 青年****，研究员

简历&研究组工作摘要：
1994-2001　中国农业大学生物学院，获理学学士、硕士学位
2001-2006　美国加利福尼亚州大学戴维斯分校，获细胞和发育生物学博士学位

2007-2011　美国加利福尼亚州大学旧金山分校/霍华德休斯医学研究院 (HHMI)，博士后
2011-今　　中国科学院生物物理研究所，研究员，博士生导师
2011年11月 入选中国国家“青年****”

研究方向：
本课题组发展活体荧光时序成像技术并结合生物化学和遗传学，以线虫为模型研究细胞骨架和信号转导蛋白如何调控神经系统的发育。我们选择线虫的Q神经母细胞为研究对象，其发育过程包括不对称分裂、长距离迁移、细胞凋亡及神经丝的形成，最终产生触觉神经元和中间神经元。我们首次利用转盘碟片激光共聚焦显微镜记录了上述所有发育过程，使得我们处于一个独特的位置去研究如下生物学问题：（1） Q神经母细胞如何进行不对称细胞分裂的？不对称性是如何产生的? 其细胞和分子机制是否类似于已知的不对称分裂？或者使用未知的不对称机制？（2） Q神经母细胞的迁移方向和距离及速度是如何决定的？Wnt信号是如何传导到细胞骨架上产生力和运动的？（3）Q神经母细胞发育过程中产生的凋亡细胞是如何进入凋亡程序？最终如何被附近的表皮细胞吞噬的？对于线虫的Q神经母细胞的研究可以加深我们对于神经发育，不对称分裂，细胞迁移和细胞凋亡的认识。这些生物学过程的异常会导致诸多人类疾病如癌症，因此，从我们的研究中获得的信息有助于我们理解人类疾病的调控机制。