杨辉团队首次证实，反转录子Retron系统可编辑哺乳动物基因组

　　撰文 | 王聪
　　噬菌体 与 细菌 与之间的攻防战争导致细菌发展出了精妙的 防御系统 ，近年来生命科学领域最大的突破—— CRISPR基因编辑 技术，正是从细菌的防御系统发展而来。实际上，细菌除了 CRISPR 系统之外，还有其他防御系统。
　　上世纪80年代，研究土壤细菌的研究人员困惑地发现，许多 单链DNA短序列 散布在细菌的细胞质中。1984年，约州立大学石溪分校的  Thomas Yee  等人最早在  Cell  论文中提到了这一发现 【1】 。
　　紧接着，研究人员发现每一个DNA片段都会与带有互补碱基序列的RNA相连，这使得他们意识到是逆转录酶从附着的RNA中合成了DNA，并由此形成了一个由RNA、DNA和酶组成的复合体。随后科学家们发现这一复合体即是 反转录子 （Retron）。
　　直到36多年后的2020年，以色列维茨曼研究所的  Rotem Sorek  团队在  Cell  发表论文， 首次解析了反转录子 （Retron） 的功能，证实其是细菌抵抗噬菌体的防御系统 【2】 。详情：Cell论文揭示细菌的另一种防御系统，具有基因编辑潜力
　　当研究人员了解到 反转录子 （Retron） 跟CRISPR系统类似，是细菌中的一种防御系统后，基于反转录子（Retron） 的基因组编辑开始吸引越来越多的目光。
　　CRISPR系统具有很强的靶向性，但并不擅长在目标DNA中引入新序列。与之相对， 反转录子 （Retron） 可以通过逆转录酶制造大量靶标序列的副本，这些副本可以被有效地拼接到宿主基因组中。
　　因此， 如果能将反转录子与CRISPR整合在一起，那么或许能开发出一种全新的、功能更强大的基因编辑工具 。
　　实际上，早在2018年，斯坦福大学的  Hunter Fraser  等人就推出了一款基于反转录子 （Retron） 的基因编辑工具【3】 ，将其命名为CRISPEY。
　　而在2021年4月27日，哈佛医学院乔治·丘奇（George Church）团队也开发了一款基于反转录子（Retron）的基因组编辑新工具，将其命名为Retron Library Recombineering（RLR）。
　　但上述基于 反转录子 的基因组编辑系统效率还很低，且尚未证明能在哺乳动物细胞中发挥作用。尽管如此， 反转录子 在基因组编辑应用中仍显示出独特的优势。
　　2021年8月17日，中科院脑科学与智能技术卓越创新中心 杨辉 研究员、辉大生物孔祥锋博士等在 Protein ＆ Cell 期刊发表了题为：Precise genome editing without exogenous donor DNA via retron editing system in human cells  的论文【5】 。
　　该研究对 反转录子 （Retron） 进行了优化改进，首次证实反转录子 （Retron） 系统可在哺乳动物细胞中进行基因编辑。
　　反转录子 （Retron） 会通过逆转录产生单链多拷贝卫星DNA（msDNA） ，有研究表明，msDNA可以充当重组供体，在基因组中进行基因编辑。这种编辑方式与CRISPR不同，不需要额外的gRNA。
　　在这项研究中，研究团队通过将Cas9与来自不同进化枝的大肠杆菌逆转录酶 （RT） 融合，并在反转录子（Retron） 的ncRNA 的5＂端连接gRNA，发现这种改造后的反转录子（Retron） 编辑系统可以在人类细胞中有效地实现精确的基因组编辑（HDR同源重组修复） 。其中Cas9-Ec73RT和3’Ec73 rgRNA组合的效率最高，可达10%。
　　研究团队表示，可以采取多种方法来改进反转录子 （Retron） 系统在人类细胞中的编辑。 首先，可以鉴定更适合人类细胞基因组编辑的反转录子（Retron） ；其次，可以通过工程化手段改造Retron-RT和Retron-ncRNA，增强其活性；最后，可以用 Cas9（D10A）切口酶单体Cas9，减少Cas9造成的DNA双链断裂带来的可能副产物。
　　总的来说，这项研究首次证明了细菌的防御系统反转录子 （Retron） 可以用于哺乳动物细胞的精确基因组编辑，而且可以避免Cas9带来的DNA双链断裂，可能更加准确和安全。有望为体外和体内基因编辑治疗带来全新的基因编辑系统。
　　论文链接：
　　1. https://doi.org/10.1016/0092-8674(84)90541-5
　　2. https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.09.065
　　3. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.08.057
　　4. https://www.pnas.org/content/118/18/e2018181118
　　5. https://doi.org/10.1007/s13238-021-00862-7