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盘点三款执行双重任务的碱基编辑器

【字体: 时间:2020年08月13日 来源:生物通

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  最近发表的三项新研究都将Cas9n与胞嘧啶和腺嘌呤脱氨酶整合在一个融合蛋白中,形成了双碱基编辑器。有意思的是,三项研究几乎同一时间发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

DNA碱基编辑器(base editor)可以对引起人类疾病的点突变进行校正,有着巨大的临床应用前景。不过,目前可编辑的范围有限,因为主要是胞嘧啶碱基编辑器(CBE)或腺嘌呤碱基编辑器(ABE)。《Nature Reviews Genetics》杂志近日总结了三款新的双碱基编辑器。

现有的DNA碱基编辑器大多是将Cas9的单链切口酶(Cas9n)与某种类型的脱氨酶相融合。对于CBE,脱氨酶包括CDA1、AID或APOBEC蛋白,而融合物中还包括一个或两个尿嘧啶糖基化酶抑制剂(UGI),以抑制中间产物尿嘧啶碱基的切除。对于ABE,脱氨酶包含一个或两个TadA结构域。

最近发表的三项新研究都将Cas9n与胞嘧啶和腺嘌呤脱氨酶整合在一个融合蛋白中,形成了双碱基编辑器。有意思的是,三项研究几乎同一时间发表在《Nature Biotechnology》杂志上。

来自麻省总医院的SPACE

在设计双碱基编辑器时,麻省总医院的研究团队遵循的原则是,将最有前途的单碱基编辑器结合起来,同时尽量缩减构建体的大小以方便导入和表达。因此,他们融合了Target-AID和miniABEmax-V82G,两者在现有的碱基编辑器中均有着极低的脱靶活性。

他们将腺苷脱氨酶(TadA)和胞嘧啶脱氨酶(pmCDA1),分别融合到Cas9切口酶的N端和C端,同时加入两种尿嘧啶糖基化酶抑制剂UGI,开发出一种双碱基编辑工具SPACE,可以同时引入A→G和C→T替代。

在人类细胞中,SPACE保留了单碱基编辑器的主要功能,能够高效地生成所需的编辑,在目标位点很少发生意外的插入或缺失(indel),且基因组上的脱靶效应低。重要的是,与同时表达单个编辑器相比,SPACE在目标位点实现了更高效的双重编辑。

来自华东师范大学的A&C-BEmax

华东师范大学的李大力和刘明耀课题组也在《Nature Biotechnology》上发表了他们的最新成果。他们将ABE7.10与不同的CBE融合在一起,挑选出最有效的构建体,随后对序列进行进一步的优化,最终形成了A&C-BEmax构建体。

与对应的单碱基编辑器相比,A&C-BEmax在人类细胞中的腺嘌呤编辑活性略有降低,但胞嘧啶编辑活性却有所提高。并且,它在DNA和RNA上都表现出较低的插入缺失频率和脱靶效应。

作为基因治疗的原理证明,研究人员对HBG1 γ-珠蛋白基因的调控序列进行双重编辑,其基因表达的上调有望治疗镰状细胞疾病和β地中海贫血。结果表明,A&C-BEmax能有效实现所需的双重编辑,而且这些编辑成功上调了类红细胞祖细胞中的血红蛋白。

来自东京大学的Target-ACEmax

日本东京大学的研究人员生成并测试了三种不同的双碱基编辑器:Target-ACE(融合Target-AID和ABE7.10)、Target-ACEmax(融合Target-AIDmax和ABEmax)以及ACBEmax(融合BE4max和ABEmax)。在这些结构中,Target-ACEmax具有最佳的双重编辑性能,其编辑效率与原先的单碱基编辑器相当。

对于DNA脱靶分析,他们没有像其他研究一样采用靶向测序方法,而是采用外显子组测序,发现Target-ACEmax同样表现出较低的脱靶效应。更重要的是,RNA测序分析发现包含APOBEC1 CBE的双碱基编辑器的脱靶RNA编辑明显增加,这也说明了另外两项研究为什么不选择APOBEC1 CBE。

作者认为,这些新的双碱基编辑器具有一系列的潜在应用,能够实现更为复杂的编辑,比如对疾病等位基因进行校正,并提高遗传筛查、谱系追踪或定向进化的遗传多样性。(生物通 薄荷)

原文检索

Burgess, D.J. Multitasking for base editors. Nat Rev Genet 21, 445 (2020). https://doi.org/10.1038/s41576-020-0261-9

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