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  • 發布時間:2023-08-30 15:06 原文鏈接: 高彩霞團隊開發出不依賴CRISPR的全新堿基編輯工具

      基因組編輯可以對生物體遺傳信息進行精準、高效的修飾,已成為生命科學領域的一項顛覆性技術。通過融合nCas9(切口酶形式的Cas9)與脫氨酶,美國哈佛大學David Liu團隊先后開發出胞嘧啶堿基編輯系統(Cytosine base editor,CBE)和腺嘌呤堿基編輯系統(Adenine base editor,ABE),將以CRISPR為代表的基因組編輯技術引入了“精準編輯”的全新時代。

      近日,中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊開發了突破CRISPR限制的模塊化結構的堿基編輯新系統——CyDENT。與此前的堿基編輯工具不同,這一系統在細胞核、線粒體和葉綠體中均實現了高效胞嘧啶堿基編輯,尤其是在線粒體編輯中展現出優良的鏈特異性和低序列偏好性,提供了具有廣泛基因組靶向能力且高精準的全新堿基編輯工具。

      CyDENT系統包含TALE蛋白、FokI切口酶、單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶、DNA外切酶及UGI等組分,并基于一套全新的工作模型:首先由TALE蛋白引導FokI切口酶至細胞核或者細胞器的DNA靶點處產生單鏈切口,之后由DNA外切酶從切口處對包含切口的DNA鏈進行部分外切消化,此時互補鏈將以單鏈DNA的形式呈現,成為單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶的作用底物,并在UGI的幫助下最終完成胞嘧啶堿基編輯。由于能夠發生脫氨的DNA鏈取決于切口產生的位置,該工作模型能夠實現具有單鏈偏好性的堿基編輯,提高了編輯精準度。

      研究分別選取水稻原生質體細胞核、葉綠體以及HEK293T細胞系線粒體中的靶點進行測試。結果顯示:CyDENT均可實現高效的胞嘧啶堿基編輯,其中在動物細胞線粒體中的編輯效率接近40%;CyDENT系統可進行具有單鏈偏好性的線粒體堿基編輯,精準性相較于基于雙鏈脫氨原理的線粒體堿基編輯器得到了提升。此外,得益于CyDENT系統的模塊化特性,研究還將該團隊近期利用AI輔助挖掘得到的全新脫氨酶(DOI: 10.1016/j.cell.2023.05.041)與其結合,對處于不同序列背景(TC或GC)下的胞嘧啶進行有效編輯,提升了堿基編輯的精準性和靈活性。通過將胞嘧啶脫氨酶更換為腺嘌呤脫氨酶,CyDENT還具有進行腺嘌呤堿基編輯的潛力。通過全核基因組和全線粒體基因組脫靶分析表明了CyDENT具有良好的編輯特異性。

      總的來說,具有完全自主知識產權的不依賴CRISPR的全新堿基編輯工具CyDENT,首次集成了對細胞核和細胞器進行精準堿基編輯的能力。結合該團隊前期挖掘的全新脫氨酶,本研究進一步實現了CyDENT系統從核心組分到底層工作模型的全自主創新。CyDENT系統的開發,再次升級了細胞核及細胞器的精準編輯策略,對疾病治療和農作物精準分子育種具有重要的潛在應用價值。

      8月28日,相關研究成果以Strand-preferred base editing of organellar and nuclear genomes using CyDENT為題,在線發表在《自然-生物技術》(Nature Biotechnology,DOI : 10.1038/s41587-023-01910-9)上。研究工作得到農業農村部、中國科學院戰略性先導科技專項、國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。

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    CyDENT堿基編輯系統及其應用。a、CyDENT堿基編輯工作模型及在細胞核和細胞器編輯中的應用;b、CyDENT在植物細胞核中的單鏈特異性堿基編輯;c、CyDENT在動物細胞線粒體中的單鏈特異性堿基編輯。

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