2019年3月2日訊/
生物谷BIOON/---在一項新的研究中，中國科學院的高彩霞（Caixia Gao）課題組通過對作為一種重要的作物物種的水稻進行全基因組測序對胞嘧啶鹼基編輯器（BE3和HF1-BE3）和腺嘌呤鹼基編輯器（ABE）產生的脫靶突變進行全面調查。他們發現胞嘧啶鹼基編輯器（BE3和HF1-BE3）誘導全基因組脫靶突變。相關研究結果於2019年2月28日在線發表在Science期刊上，論文標題為「Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice」。
圖片來自Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences。
單核苷酸變化是人類疾病和經濟生物中性狀變異的重要原因。通過鹼基編輯器對單核苷酸多態性進行基因改造為基因療法帶來了巨大希望，這可能潛在地治癒人類疾病並改善作物植物的性狀。
科學家們已開發出胞嘧啶鹼基編輯器（CBE）和腺嘌呤鹼基編輯器（ABE）。這些鹼基編輯器是將切口酶型Cas9蛋白與胞嘧啶脫氨酶或腺嘌呤脫氨酶融合在一起形成的，並且經發現它們在單向導RNA（sgRNA）的靶位點中促進C>T或A>G轉化（即在靶轉化）。
儘管CBE和ABE的在靶轉化（on-target conversion）在許多有機體中發現，但是它們的脫靶效應並未在全基因組水平上進行過系統性評估。
過去對鹼基編輯特異性的分析主要局限於使用計算機
軟體預測的類似靶標的位點。這些類似靶標的位點通常數量少並且具有有限的基因組分布。
考慮到科學家們已發現大腸桿菌、
酵母細胞和人類細胞中的胞嘧啶脫氨酶異位表達會引發全基因組脫氨事件，在全基因組水平上以無偏見的方式探究鹼基編輯器的特異性已變得必要和迫切。
在這項新的研究中，高彩霞課題組選擇了三種廣泛使用的鹼基編輯器：BE3、高保真BE3（HF1-BE3）和ABE，其中BE3和HF1-BE3屬於胞嘧啶鹼基編輯器（CBE）。將靶向11個基因組位點的總共14個鹼基編輯器構造體通過農桿菌轉化方法轉化到水稻中。他們利用全基因組測序對由BE3、HF1-BE3或ABE編輯的再生T0水稻植物；經過這些鹼基編輯器轉化但沒有經過sgRNA轉化的水稻植物以及兩個對照組水稻植物（即野生型水稻和轉基因水稻的無效分離株）進行分析。
這些鹼基編輯器組（即BE3組、HF1-BE3組和ABE組）和對照組在發現的插入或刪除（insertion or deletion, indel）數量上沒有顯著差異。相反之下，BE3組和HF1-BE3組要比ABE組和對照組具有顯著更多的單核苷酸變異（SNV）。
在這些鹼基編輯器組和對照組中，每株水稻植物的C>T單核苷酸變異（SNV）的平均數量為：203（BE3）、347（HF1-BE3）、88（ABE）和105（對照組）。因此，BE3組和HF1-BE3組水稻植物中的C>T單核苷酸變異數量分別比對照組水稻植物高94.5％和231.9％。
值得注意的是，在沒有sgRNA的情況下用BE3和HF1-BE3處理水稻植物也會導致大量的C>T單核苷酸變異。此外，由BE3和HF1-BE3賦予的絕大多數額外C>T突變與使用計算機
軟體（Cas-OFFinder）預測的脫靶位點並不相匹配。
高彩霞課題組發現所有的單核苷酸變異以及C>T單核苷酸變異分布在整個水稻基因組中，這表明在全基因組發生。利用轉錄組數據構建的圖譜表明與轉錄的基因區域相比，與BE3和HF1-BE3相關的較高數量的C>T單核苷酸變異更頻繁地發生，在這些基因區域，單鏈DNA因活躍的轉錄而得以產生。
總而言之，由高彩霞課題組產生的數據表明是BE3和HF1-BE3，而並不是ABE，在水稻中誘導全基因組脫靶突變。這些脫靶突變主要是C>T單核苷酸變異，在轉錄的基因區域中富集，通過當前的計算機方法是無法預測的。含有胞嘧啶脫氨酶的鹼基轉化單元可能是由BE3和HF1-BE3引發的較高數量的脫靶單核苷酸變異的原因，因而需要加以優化以提高胞嘧啶鹼基編輯器（BE3和HF1-BE3）的特異性。
高彩霞博士說，「鹼基編輯器代表了一種吸引人的工具，用於產生植物育種所需的精確
遺傳變異。這些鹼基編輯器的特異性至關重要，這是因為脫靶突變可能是有害的。我們發現當前的BE3或HF1-BE3在植物中導致意外的和不可預測的全基因組脫靶突變，從而凸顯了優化這類鹼基編輯器特異性的緊迫性。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：Shuai Jin et al. Cytosine, but not adenine, base editors induce genome-wide off-target mutations in rice. Science, 2019, doi:10.1126/science.aaw7166.