导 读
开发大片段DNA精准插入技术是基因组编辑研究领域的热点之一。最近，研究人员开发了一种新的植物基因组大片段DNA精准插入技术——TATSI。该技术利用DNA转座子可在基因组中进行“剪切”-“粘贴”的特性，通过将水稻中的mPing/Pong DNA转座元件与CRISPR-Cas系统相结合，实现了在植物特定基因组位点上精确插入大片段DNA序列。
图1 植物中大片段DNA的靶向插入
高效的基因定点插入是基因功能研究和作物遗传改良的重要手段之一，同时也是植物基因组编辑亟需发展的关键技术。目前，已有多种基因组编辑方法可用于植物中大片段DNA的靶向插入。其中，依赖于核酸酶诱导的DNA双链断裂（DSBs）的插入技术可以在提供供体DNA模板时，通过非同源末端连接（NHEJ）或同源定向修复（HDR）途径实现DNA片段的定向插入。然而，NHEJ途径的精确度较低，通常会导致供体DNA序列末端产生插入或删除（indels）。虽然HDR途径具有更高的精确性，但在植物细胞中提高其效率仍面临挑战。最近开发的PrimeRoot系统利用引导编辑技术（prime editing，PE）来指导位点特异性重组酶（SSRs）在植物中实现可编程的大片段DNA插入。PrimeRoot系统依赖于SSRs特定的重组位点，首先在目标位置插入重组位点（RS），然后提供供体DNA和重组酶，从而实现精准的大片段DNA插入。目前，该系统已成功在水稻基因组中整合高达11.1 kb的大片段DNA序列（图1）。
转座子，也称为“跳跃基因”，是一类能够在基因组内部移动的DNA序列，广泛存在于植物、动物和微生物等多种生物体中。它们具有独特的“剪切”-“粘贴”特性，使其在基因工程中的应用非常广泛。此外，天然的移动能力使转座子成为实现大片段DNA插入的理想工具。在基因工程中，科学家们通过改造转座子，使其能够携带特定的“货物”DNA序列，并利用其天然的移动机制将这些序列精确插入到基因组的特定位置。2024年，密苏里大学R. Keith Slotkin和南卡罗来纳大学C. Nathan Hancock团队合作开发了TATSI技术，该技术的核心在于利用DNA转座子“剪切”-“粘贴”的特性，将特定的DNA“货物”嵌入到小型DNA转座子mPing中。在Pong转座酶和CRISPR-Cas系统的共同作用下，mPing能够准确地被切割并插入到植物基因组的特定位置（图1）。在拟南芥和大豆等植物中，TATSI技术已成功实现了在目标基因位点的精确插入。TATSI技术能够在不依赖同源重组的情况下，实现可编程的大片段DNA的插入。这不仅提高了DNA插入的效率，还简化了操作过程，对培育具有特定改良性状的作物品种至关重要，同时为实现植物中大片段DNA的精确插入提供了强大且灵活的工具。
总结与展望
TATSI技术在拟南芥和大豆中的成功应用展示了其在作物改良中的广泛应用前景。尽管TATSI技术已取得显著进展，但仍面临一些技术挑战。例如，需要进一步提高mPing插入的精确性，并减少因随机转座导致的非目标序列插入。此外，需要进一步优化mPing转座子元件，以便携带更长的DNA序列，并控制mPing在靶点处的插入方向。随着不断优化及其应用范围的扩大，TATSI技术有望在分子设计育种、合成生物学和未来农业发展中发挥重要作用，助力培育产量更高、抗病性更强、营养价值更丰富的作物品种。
责任编辑
潘 浪 湖南农业大学
胡云子 暨南大学
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Life第2卷第4期以Commentary发表的“Programmable DNA transposon-mediated targeted gene insertion in plants” (投稿: 2024-07-16；接收: 2024-08-26；在线刊出: 2024-10-16)。
DOI：https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100095
引用格式: Liang Y. and Wang Y. (2024). Programmable DNA transposon-mediated targeted gene insertion in plants. The Innovation Life 2(4), 100095.
作者简介
王延鹏 博士，研究员，博士生导师。2016年获中国科学院大学博士学位，随后在美国马萨诸塞大学医学院和加州大学戴维斯分校进行博士后研究。2019年，任中科院遗传发育所青年研究员，2023年晋升为研究员并担任课题组组长。研究方向包括植物基因编辑技术研发、植物细胞递送及农作物性状精准改良等。相关研究成果已发表在Nature Biotechnology、Molecular Cell、Genome Biology、Molecular Plant、Annual Review of Plant Biology等期刊。2020年入选中科院青年促进会会员，2021年获得国家自然科学基金委“优秀青年基金”资助。此外，2020至2023年期间，入选科睿唯安“高被引科学家”名单。
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2024年影响因子为33.2，2024年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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