2021年5月10日，國際期刊Nature Cell Biology在線發(fā)表了中國科學院上海營養(yǎng)與健康研究所楊力研究組與合作者在堿基編輯研究領域的最新進展“Eliminating base-editor-induced genome-wide and transcriptome-wide off-target mutations”。
堿基編輯器（base editor）主要是由兩個主要的功能結構域組分組成，分別是識別基因組特定DNA序列定位的定位器（locator）和可對該特定基因組DNA序列（或者位點）進行編輯的效應器（effector）。其中胞嘧啶堿基編輯系統(tǒng)主要以nCas9/sgRNA作為locater執(zhí)行對編輯的識別和定位功能，以胞嘧啶脫氨酶APOBEC/AID作為effector執(zhí)行胞嘧啶脫氨的功能并最終實現C-to-T的編輯。隨著堿基編輯技術的不斷開發(fā)，基因編輯效率和靶向范圍顯著提高，但是在全基因組和/或全轉錄組水平仍存在大規(guī)模的脫靶效應，極大地限制了其在生物學和臨床上的應用。在這項最新的研究工作中，研究人員首先發(fā)現了在胞嘧啶脫氨酶中天然存在的抑制序列結構域（deoxycytidine deaminase inhibitor，dCDI），并利用其開發(fā)了一系列可高效催化靶位點C-to-T編輯、抑制脫靶位點C-to-T編輯的新型堿基編輯系統(tǒng)，并依據其特性命名為變形式堿基編輯系統(tǒng)（transformer base editors，簡稱tBEs）（圖示A）。結合高通量測序技術和計算生物學的研究方法，研究人員評估了tBE的編輯效率、脫靶效應和編輯產物純度，結果顯示tBE堿基編輯系統(tǒng)可以在執(zhí)行高效C-to-T編輯的同時，最大程度地減少由locator產生的Cas9/sgRNA依賴性脫靶效應（sgRNA-dependent off-target，OTsg）和effector產生的Cas9/sgRNA非依賴性單鏈DNA脫靶效應（sgRNA-independent single-stranded off-target，OTss）。該研究還構建了在全基因組檢測脫靶的計算分析流程BEIDOU（Base/Prime Editor Induced DNA Off-target site identification Unified toolkit, https://github.com/YangLab/BEIDOU）（圖示B），并結合全轉錄組RNA脫靶鑒定工具RADAR（RNA-editing Analysis-pipeline to Decode All twelve-types of RNA-editing events, https://github.com/YangLab/RADAR）（Wang et al., Cell Rep 2020），證明了tBE具有與本底水平類似的全基因組和全轉錄組突變效應，提示tBE可能不具有早期BE3的脫靶效應。該研究還成功地將tBE用于小鼠Pcsk9的編輯，通過引入終止密碼子的方法成功降低了小鼠體內PCSK9的表達和LDL-C的水平。對編輯后小鼠進行全基因組和全轉錄組測序表明tBE在in vivo水平同樣僅產生與背景水平相一致的突變率。相關研究證明了tBE堿基編輯系統(tǒng)具有很好的特異性和安全性，提高了堿基編輯系統(tǒng)的應用價值，拓展了堿基編輯系統(tǒng)在點突變引起的疾病治療中的應用前景。
楊力研究員、上科大生命學院陳佳教授、武漢大學醫(yī)學研究院殷昊教授和上科大免疫化學研究所楊貝教授為該論文的共同通訊作者。楊力組博士生薛尉，陳佳研究組畢業(yè)生王麗潔博士和博士生高潤澤、殷昊研究組博士后張紅霞和碩博研究生邱厚圓為共同第一作者。本項研究得到了科技部、國家自然科學基金委、武漢大學、武漢市科技局、中科院青促會、教育部和博士后基金等項目的資助。
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圖示：(A) tBE作用的原理示意圖。以tBE-V5–mA3為例，其可在靶位點去除dCDI產生高效編輯效果，但在OTss和OTsg位點時由于dCDI的存在可以抑制非靶向突變。(B) BEIDOU計算分析流程評估堿基編輯的潛在全基因組水平脫靶。
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