- Mary Johnson Ph. D.mary at labome dot comSynatom Research, Princeton, New Jersey, United States
- 王秀英博士mary at labome dot com美国新泽西州普林斯顿合原研究有限责任公司 (Synatom Research)
锌指核酸酶(ZFNs)是核酸内切酶通过融合锌指DNA结合域改造而成的,这种锌指DNA结合域通常包含3到6独立的、与DNA切割位点特异的锌指重复序列。这项技术对改变许多高等生物包括哺乳动物细胞的基因组变得非常有用。ZFNs技术可通过在DNA中引入双链断裂(DSBs)失活一个等位基因。同样,通过同源重组机制,也可改变一个基因的序列。然而,大规模使用这项技术的主要限制在于一直缺乏一种构建锌指芯片的简单方法。
通常,生产锌指芯片的方法是通过结合较小的、特异的已知锌指模块,即所谓的模块化装配方法。该方法的问题在于高失败率。Sangamo Biosciences公司目前已经开发了一些不同的方法来生产锌指芯片。研究人员可以从该公司定购特制的ZFNs,但是这样便受该酶的高昂价格限制。
来自美国马萨诸塞州从事癌症研究的分子病理学系及中心的Sander和他的同事,最近设计了一种新方法—“寡聚化池工程”(OPEN)来生产ZFNs,但是由于筛选组合库,需要一定的工作量及专业知识,导致该方法并不是很成功。正是出于这个原因,该团队又发明了一种操作简单,较老方法成功率高的新方法,称为“上下相关装配”(CoDA)。
在这种方法中,2个拥有相同中指(F2元件)的三锌指芯片,通过组合第1个芯片的首指(F1元件),共同的中指(F2元件)和第2个芯片的尾指(F3元件),形成一个新的特异的三锌指芯片。相比模块化装配方法,使用CoDA的主要优点是多指芯片正常工作的概率将会更高,因为CoDA并不把指元件看作独立元件,而是其结合了相邻指元件的效果。这种方法的优势还包括构建多指芯片的速度和既没有专门技能也没有劳动强度选择的需要。
研究人员已经通过一种用于研究蛋白质-蛋白质和蛋白质- DNA相互作用的分子生物学技术—细菌双杂交(B2H)报告分析技术来测试了CoDA方法。他们共组装了181个三锌指芯片来测试其结合特定DNA靶点的能力。起初的14个芯片发现仅有小于1.57倍的激活转录,也就意味着在哺乳动物细胞中,ZFNs中的三指芯片很可能不起作用。但在另外的139个芯片却有三倍多的激活转录,并且其在人类细胞中同样有较高的高效运作概率。
于是,他们又利用CoDA方法构建了与斑马鱼(24个基因靶点)和植物(拟南芥中13个基因靶点和大豆中1个双拷贝基因靶点)靶基因特异的ZFNs。研究发现通过CoDA构建的ZFNs获得的突变成功率可与通过OPEN构建的ZFNs所获得的突变成功率相媲美。他们还推测,两种方法之所以未诱导突变成功,很可能与染色质形态,位点的DNA甲基化,蛋白的稳定性或折叠有关。
但相比之前的方法,由该方法仍有一定的局限性。首先,CoDA的方法不能被用来标记可被模块化组装普遍标记的位点。另外,CoDA限制了共同中间元件的特性,而且没有平衡所有锌指对最终芯片亲和力和特异性的效果。第三个问题是,CoDA忽略了相邻上下游碱基的特性,所以其不能在人体多能干细胞中引入改变,然而这对治疗应用非常重要。
尽管存在这些限制,Sander和他同事的研究结果仍表明CoDA是构建锌指芯片的一种简单和快速的方法。而且,CoDA作为利用现有试剂构建ZFNs的有效的替代方法, 它可以同时生产大量的ZFNs,这是需要更多劳力的OPEN方法所做不到的。总之,这项新技术对于任何科学家操纵不同生物体细胞包括人类细胞的基因组将是非常有用的。
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