作為基因組編輯前沿技術，鹼基編輯（BE）無需產生DNA雙鏈斷裂，也無需供體DNA的參與，可實現靶位點的精準點突變，已成為基因編輯的重要研究方向。現有鹼基編輯器只能實現嘧啶間（胞嘧啶鹼基編輯器）和嘌呤間（腺嘌呤鹼基編輯器）的鹼基轉換，尚沒有鹼基編輯器實現嘧啶與嘌呤間的特異性鹼基顛換。開發新型鹼基編輯技術實現鹼基顛換甚至任意鹼基變換，在合成生物體系構建、遺傳疾病的基因治療、生物性狀修飾等領域具有重要意義。
中國科學院天津工業生物技術研究所研究員張學禮帶領的微生物代謝工程研究團隊和研究員畢昌昊帶領的合成生物技術研究團隊聯合攻關，設計構建了胞嘧啶脫氨酶-nCas9-Ung蛋白複合物，創建出新型糖基化酶鹼基編輯器（GBE），開發了可實現嘧啶和嘌呤間顛換的單鹼基基因編輯系統。基於該系統，首次在微生物中實現任意鹼基編輯、在哺乳動物細胞中實現C-G鹼基特異性顛換。
傳統的胞嘧啶鹼基編輯器（CBE）在脫氨酶（AID）的作用下，將DNA單鏈上的C轉變為尿嘧啶（U），經過多次DNA複製才轉化為T。新型GBE鹼基編輯器獨闢蹊徑，利用細胞自身DNA修復系統直接修復該「非常規鹼基」，生成特定鹼基，實現鹼基編輯：將尿嘧啶糖基轉移酶（Ung）帶到由胞嘧啶脫氨酶形成的尿嘧啶鹼基位點，在該位點脫去尿嘧啶，建立無嘌呤/無嘧啶（AP）位點，DNA損傷位點誘導啟動DNA修復，從而實現鹼基的轉變。實驗結果證明，GBE鹼基編輯器在大腸桿菌中可將C特異性顛換為A，編輯特異性平均達到93.8±4.8%，並實現任意鹼基間的變化（NBE）。在哺乳動物細胞中，GBE鹼基編輯器能夠在N20序列的第6位胞嘧啶（C6）處進行高特異性的C到G顛換。30個檢測位點中，23個位點的C-G編輯特異性大於50%，其中2個位點異性達到90%以上。
GBE作為新一代鹼基編輯技術，可擺脫傳統鹼基編輯依賴多次DNA複製的缺點，直接將目標鹼基特異性修改成目的鹼基。該技術進一步完善了鹼基編輯系統，在國際上首次實現微生物基因鹼基的任意編輯改造，提升了基因編輯和合成生物構建能力。GBE也是第一個可在哺乳動物細胞進行C-G特異性顛換的鹼基編輯器，具有較高的特異性和較窄的編輯窗口。
相關成果發表在Nature Biotechnology，已申請PCT專利。該研究獲得國家重點研發計劃、中科院重點部署項目、國家自然科學基金以及天津市合成生物技術創新能力提升行動的支持。
GBE鹼基編輯器示意圖
大腸桿菌任意鹼基編輯(NBE)
單鹼基突變疾病所需各鹼基變化比例