转座酶基因编辑在生物制造与植物育种中展现高效率
近期研究与产业进展显示，转座酶系统正成为 CRISPR-Cas9 之外的高效基因编辑选择，可用于生物制药制造与植物育种。在 CHO 细胞中可实现 2–50 拷贝整合、效率显著更高；在烟草中工程化 TnpB 的编辑效率最高达 90%，且下一代遗传率可达 89%–90%。
转座酶（transposase）为基础的基因编辑系统在生物制药制造与植物育种两大应用中，正显示出相较 CRISPR-Cas9 的显著优势；相关结论来自近期研究与产业进展。该技术源于诺贝尔奖得主 Barbara McClintock 发现的“跳跃基因（jumping genes）”，正在解决传统基因编辑方法的关键局限。
在生物制药制造领域，Leap-In Transposase 和 piggyBac transposase 等转座子系统已被用于改造中国仓鼠卵巢（CHO）细胞。自 20 世纪 80 年代以来，CHO 细胞一直是生物制药生产的主要哺乳动物宿主。首个 CHO 来源产品于 1987 年获 FDA 批准。与靶向核酸酶相比，转座酶具备两项关键优势：可在 CHO 全基因组范围实现多拷贝整合，以及具有较高的转座效率，从而产生高产且均一的细胞群体。
转座酶通常只需要较短的靶序列（例如 TTAA）以及开放染色质区域，即可在每个 CHO 基因组中形成 2 到 50 个整合拷贝。转座进入的 DNA 在每个整合位点都能稳定保持其完整性。这与 CRISPR-Cas9 方法形成鲜明对比：在具有工业相关性的 CHO 细胞中，其插入效率很低，据估计约为 1/100,000。
传统基因编辑方法存在明显局限。同源重组在哺乳动物细胞中属于罕见事件，每一代细胞发生频率约为 1/10^6-10^7。CHO 细胞对同源依赖修复（HDR）尤其不敏感，使得该策略在 CHO 细胞工程中不可行。尽管 CRISPR-Cas9、TALENs 和 ZFNs 等靶向核酸酶试图通过在特定基因组位点诱导位点特异性双链断裂来克服这些限制，但哺乳动物细胞中占主导的修复途径——非同源末端连接（NHEJ）——会迅速连接断裂的 DNA 末端，从而导致插入或缺失。
一项发表于《Molecular Therapy: Methods & Clinical Development》的同行评议研究使用光学基因组图谱（OGM）评估多种基因编辑方法（包括转座子、慢病毒转导以及 CRISPR-Cas9 位点插入）引发的基因组改变。研究报告称，OGM 作为一种全基因组、无偏倚的方法用于检测大型基因组重排与结构变异；在基因编辑前后的人诱导多能干细胞系中，OGM 对变异等位基因分数低至 5% 仍具有检测灵敏度。
研究人员发现，转座子与慢病毒转导与大量转基因插入相关，而在被编辑的细胞系中，CRISPR-Cas9 则与更精确且更有限的转基因插入相关。研究指出，OGM 在工程化细胞中识别出复杂且隐匿的结构变异与拷贝数变化，而这些变化未能被传统细胞遗传学方法及基于测序的方法检测到，这提示编辑过程可能存在潜在的脱靶基因组改变。
在植物育种应用方面，UC Davis 与 UC Berkeley 的 Innovative Genomics Institute 的研究人员展示：一种名为 TnpB 的“跳跃基因”酶的工程化版本，可通过一步法编辑烟草植物的基因组。该方法效率很高，所得基因编辑在下一代植物中的遗传率超过 90%——这一遗传率与 Cas9 相当。
基因编辑在帮助养活不断增长的世界人口方面具有巨大潜力，但目前仍存在困难：过程耗时，且仅在部分植物物种中有效。问题的重要原因之一是 CRISPR/Cas9 的体积：它过大，难以递送进入植物细胞。科学家常利用病毒将基因编辑机器递送至植物与动物细胞，因为病毒会天然地将 DNA 和 RNA 插入其感染的细胞中。然而，植物病毒的载荷能力有限，而 CRISPR/Cas9 体积过大，难以由其递送。
TnpB 与转座子或“跳跃基因”相关，这些短 DNA 序列可通过与 CRISPR/Cas9 类似的“剪切-粘贴”机制在基因组不同区域间移动。然而，TnpB 仅约 400 个氨基酸，而 Cas9 约为 1300 个氨基酸——更便于通过病毒递送进入细胞。
研究显示，自然存在的细菌 TnpB 可在人体细胞与植物细胞中编辑基因，但其成功率仅约 3%-10%。为提高 TnpB 的基因编辑效率，研究人员测试了两种增强版本 TnpB（eTnpBc 和 eTnpBe）。为提高遗传率，研究人员还加入了一段短 RNA 序列，帮助病毒扩散至植物的生殖系（germline），即产生植物卵细胞与精细胞的细胞。
研究人员在烟草植物（Nicotiana benthamiana）中测试这些工程化 TnpB，并以烟草响铃病毒作为递送系统。为便于检测基因编辑效果，他们破坏了一个具有可见表型作用的基因：与色素合成有关的八氢番茄红素去饱和酶基因 Phytoene desaturase（PDS）。当 PDS 被关闭时，植物组织会变白。
当研究人员将携带 TnpB 的病毒注入 2.5 周龄的烟草幼苗后，随着病毒在植株内扩散，叶片上出现白色斑点。团队的分子分析证实：eTnpBc 的基因编辑效率最高可达 70%，其效率高于 eTnpBe 或自然型 TnpB；后两者诱导的编辑效率分别为 26% 和 12%。
当团队让 eTnpBc 编辑参与叶绿素合成的基因 ChlH 时，eTnpBc 作为基因编辑器的效率更高：其对 ChlH 的基因编辑效率达到 90%。为检验基因编辑是否可遗传，研究人员收集并萌发了基因编辑植株的种子。结果显示，针对 PDS 与 CHlH 的基因编辑均具有很高遗传性：来自 PDS 编辑植株（带白色荚果）的幼苗中，89% 完全呈白色。
双特异性与三特异性抗体、抗体-药物偶联物（ADCs）以及疫苗等下一代生物制剂日益复杂，这要求 CHO 基因组工程具备新的赋能技术。近期将超活性转座酶系统与合成生物学相结合的开发工作，正在形成一种单一且高效的工具，可用于基因敲入、基因敲低以及满足复杂生物工程需求。