轉(zhuǎn)座子整合穩(wěn)定細(xì)胞株
▏ 名字定義
轉(zhuǎn)座因子（Transposable element，簡稱TE），又稱“跳躍基因”，是指從基因組的一個位置移動到另一個位置的DNA序列。這類因子最早由遺傳學(xué)家芭芭拉·麥克林托克于50多年前發(fā)現(xiàn)。起初，生物學(xué)家對麥克林托克的發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度。然而，在接下來的幾十年里，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，TE不僅會“跳躍”，而且?guī)缀醮嬖谟谒猩矬w（包括原核生物和真核生物）中，而且通常數(shù)量巨大。例如，TE約占人類基因組的50%，占玉米基因組的90%。
▏ 轉(zhuǎn)座子類型
圖 1：逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座概述。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子通過“復(fù)制粘貼Ctrl C+V”機(jī)制進(jìn)行移動。
▏ 實(shí)驗(yàn)室中常用的DNA轉(zhuǎn)座子
雖然轉(zhuǎn)座子有很多不同的類型，但DNA轉(zhuǎn)座子在實(shí)驗(yàn)室中用于基因組操作最為常見。在實(shí)驗(yàn)室中使用轉(zhuǎn)座子時，轉(zhuǎn)座酶基因以反式形式提供，以便將目標(biāo)基因插入轉(zhuǎn)座子的長末端重復(fù)序列（LTR）之間，類似于病毒載體的包裝過程。
常見的三種適合用作研究工具的轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)：睡美人Sleeping beauty、PiggyBac和Tol2。
1.睡美人Sleeping beauty，簡稱SB
睡美人是一種合成的轉(zhuǎn)座因子，由魚類中發(fā)現(xiàn)的mariner。睡美人首選的整合靶位是TA二核苷酸，被轉(zhuǎn)座酶切割后，它會在切除位點(diǎn)的末端序列上留下CAG DNA足跡。它的貨物容量>100 kB，但整合效率會隨著貨物大小而降低。睡美人通過哺乳動物基因組進(jìn)行整合，其整合特征接近隨機(jī)。SB在脊椎動物中很活躍，在人類細(xì)胞中的整合速度與逆轉(zhuǎn)錄病毒載體相似。SB轉(zhuǎn)座酶的高活性版本SB100X的效率比第一代SB轉(zhuǎn)座酶高~100 倍。 hySB100x在SB100X的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，轉(zhuǎn)座活性提高了 30%。
2.piggyBac
piggyBac是在菜青蟲中發(fā)現(xiàn)的 ，它的靶位是 TTAA，與其他轉(zhuǎn)座子不同，它在切除后不會留下 DNA 足跡序列。piggyBac可以裝載超過100 kB的DNA，并且在酵母、植物、昆蟲和哺乳動物細(xì)胞（包括人類細(xì)胞）中體外和體內(nèi)均有活性。piggyBac傾向于在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)、CpG 島和 DNaseI 高敏位點(diǎn)進(jìn)行整合。與睡美人一樣，piggyBac在人類細(xì)胞中的整合效率與逆轉(zhuǎn)錄病毒載體相似。與密碼子優(yōu)化的野生型piggyBac轉(zhuǎn)座酶相比，高活性PB轉(zhuǎn)座酶 (hyPB)在哺乳動物細(xì)胞中的活性高約10倍。
3.Tol2
Tol2是第一個在脊椎動物中報(bào)道的活性 DNA 轉(zhuǎn)座子。它是在日本青鳉魚中發(fā)現(xiàn)的，因?yàn)樗迦氲角圜汈~的酪氨酸酶基因中導(dǎo)致了白化病。與睡美人（Sleeping Beauty）和piggyBac不同，Tol2 的首選整合位點(diǎn) TNA(C/G)TTATAA(G/C)TNA 具有較弱的共識序列。Tol2 可以將10-11 kB的DNA 遞送到哺乳動物細(xì)胞中而不會降低效率，最大載量約為200 kB。與piggyBac類似，Tol2也傾向于在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)、CpG 島和 DNaseI 高敏位點(diǎn)進(jìn)行整合。Tol2 僅在脊椎動物中活躍，在人類細(xì)胞中的整合效率低于piggyBac和睡美人。Minimal Tol2或miniTol2是原始Tol2的截短版本，其轉(zhuǎn)座活性提高了約 3 倍。
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Sleeping Beauty (SB) |
piggyBac (PB) |
Tol2 |
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Species of origin |
Salmonid fish |
Cabbage looper moth |
Medaka fish |
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Classification |
Tc1/mariner superfamily |
PB superfamily |
hAT superfamily |
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Transposable element |
~1.6 kb long |
~2.5 kb long |
~4.7 kb long |
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Terminal regions |
IR/DRs of ~ 230 bp |
35–63 bp with outer TIRs and inner subterminal IRs |
150–200 bp containing the TIRs and subterminal regions |
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Transposase |
340 aa |
594 aa |
649 aa (most active isoform) |
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Footprint |
CAG |
None |
Variable |
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Target site preference |
TA |
TTAA |
Weak consensus sequence |
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TNA(C/G)TTATAA(G/C)TNA |
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Target site duplication |
TA |
TTAA |
8 bp |
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Activity in species |
Various vertebrates |
Vertebrates, insects, plants, yeast |
Various vertebrates |
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Efficiency in human cells |
Comparable to retroviral vectors |
Comparable to retroviral vectors |
Lower than PB and SB |
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Cargo capacity |
>100 kb |
>100 kb |
>100 kb |
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Overproduction inhibition |
Yes |
To some extent |
Lower than PB and SB |
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Integration profile |
Close-to-random |
Biased towards TSSs, CpG islands and DNaseI hypersensitivity sites |
Biased towards TSSs, CpG islands and DNaseI hypersensitivity sites |
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Most common parental plasmid |
pT2 |
pXL-BacII |
pTol2, miniTol2 |
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Most hyperactive transposase |
hySB100X |
hyPB |
hTol2-M |
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Vectors for transposon delivery |
Plasmid DNA, pFAR, MC, |
Plasmid DNA, dbDNA, |
Plasmid DNA |
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non-integrative viral vectors, nanoparticles |
non-integrative viral vectors, nanoparticles |
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Vectors for transposase delivery |
Plasmid DNA, mRNA, SNIM RNA, |
Plasmid DNA, mRNA, |
Plasmid DNA, mRNA, |
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recombinant protein (hsSB), non-integrative viral vectors, |
non-integrative viral vectors, |
recombinant protein (His-Tol2) |
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nanoparticles |
nanoparticles |
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Clinical trials |
Yes |
Yes |
No |
▏ 常見應(yīng)用
1.轉(zhuǎn)座子誘變篩選：
轉(zhuǎn)座子本質(zhì)上是一種致突變元件，這使得它們成為檢測功能喪失或功能獲得突變的誘變篩選的絕佳工具。在這些篩選中，轉(zhuǎn)座子編碼報(bào)告基因、誘變盒或條形碼。當(dāng)轉(zhuǎn)座子被遞送到細(xì)胞或模型生物中時，它們會插入宿主的基因組中。然后，使用下一代測序檢測轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)，并進(jìn)行分析以確定在實(shí)驗(yàn)過程中哪些插入是陽性或陰性選擇的。
2.轉(zhuǎn)基因動物：
轉(zhuǎn)基因動物通常是通過將DNA直接注射到受精卵的原核中產(chǎn)生的，這會導(dǎo)致該序列隨機(jī)地整合到受精卵的基因組中，這個過程高度難以預(yù)測。然而，轉(zhuǎn)座子在注射到受精卵的細(xì)胞質(zhì)中后，能夠有效地整合到受精卵的基因組中，而當(dāng)DNA直接注射時，這個過程效率很低。睡美人、 piggyBac和Tol2都已被用于生成轉(zhuǎn)基因動物，包括斑馬魚、小鼠、大鼠和兔子。
3.穩(wěn)定細(xì)胞株構(gòu)建
轉(zhuǎn)座子是慢病毒載體構(gòu)建穩(wěn)定細(xì)胞株的替代方案，例如用于iPSC 重編程以及基因和細(xì)胞治療，并且有可能克服病毒的一些局限性。TE 的有效載荷很大，使用Sleeping Beauty和piggyBac時可達(dá)100 kB，這比病毒載體有很大優(yōu)勢（AAV 的有效載荷約為 5 kB，慢病毒的有效載荷約為 8 kB）。轉(zhuǎn)座子也比病毒載體更不容易誘導(dǎo)免疫反應(yīng)，并且也更容易和更便宜地生成。兩種傳遞方法都可能發(fā)生因整合而導(dǎo)致的基因破壞，但由于 TE 主要插入基因間區(qū)域，因此基因破壞不太令人擔(dān)憂。
4.SgRNA引導(dǎo)的定點(diǎn)轉(zhuǎn)座
可以借助于sgRNA來引導(dǎo)定點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)座，有報(bào)道稱，INTEGRATE系統(tǒng)（引導(dǎo) RNA 輔助靶向插入轉(zhuǎn)座因子）可在細(xì)菌中實(shí)現(xiàn)高達(dá)10 kB大小的 DNA 的約 100% 整合。
▏ 穩(wěn)定細(xì)胞株構(gòu)建服務(wù)
科佰生物提供“轉(zhuǎn)座子整合系統(tǒng)”穩(wěn)定細(xì)胞株構(gòu)建服務(wù)，利用該系統(tǒng)，我們已經(jīng)成功構(gòu)建超過400株穩(wěn)定細(xì)胞株的模型，有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，歡迎溝通咨詢。
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質(zhì)粒轉(zhuǎn)染 |
病毒感染 |
Flp-FRT系統(tǒng) |
轉(zhuǎn)座子系統(tǒng) |
基因編輯 |
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脂質(zhì)體 |
電轉(zhuǎn) |
慢病毒 |
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適用細(xì)胞 |
部分細(xì)胞 |
幾乎所有細(xì)胞 |
幾乎所有細(xì)胞 |
內(nèi)部4種細(xì)胞 |
幾乎所有細(xì)胞 |
部分細(xì)胞 |
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轉(zhuǎn)染/感染效率 |
低 |
中 |
高 |
高 |
高 |
低 |
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隨機(jī)整合 |
是 |
是 |
是 |
否 |
- |
否 |
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生物安全等級 |
BL1 |
BL1 |
BL2 |
BL1 |
BL1 |
BL1 |
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基因裝載能力 |
- |
- |
<4-5k |
- |
- |
- |
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陽性率 |
低 |
高 |
高 |
高 |
高 |
低 |
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周期 |
基因合成 |
2-3周 |
2-3周 |
2-3周 |
2-3周 |
2-3周 |
2-3周 |
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病毒包裝 |
- |
- |
1周 |
- |
- |
- |
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混合克隆篩選 |
1-2周 |
1-2周 |
1-2周 |
1-2周 |
1-2周 |
1-2周 |
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單克隆篩選 |
>3 周 |
>3 周 |
>3 周 |
可選 |
可選 |
>3 周 |
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合計(jì) |
> 8-10 周 |
> 8-10 周 |
>9-11周 |
5-7 周 |
5-7 周 |
> 8-10 周 |
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工作負(fù)荷 |
高 |
中 |
中 |
低 |
低 |
高 |
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