Nat Biotech 導讀 | 雙鹼基編輯器、編輯器定向優化等

撰文丨十一月

2020年7月刊，Nature Biotechnology共發表7篇文章，其中包括3篇Brief Communications、2篇Letters、2篇Articles，主要介紹了雙鹼基編輯器、基於CRISPR-Cas12進行COVID-19病毒快速檢測、腺嘌呤鹼基編輯器定向優化等。

NBT 7月刊封面

基於CRISPR的基因組編輯已成為實驗生物學的支柱，並正在成熟為治療應用的工具。在設計更加複雜的蛋白質機器以高效和專一的方式催化所需要的改變以及將大分子轉移到組織和細胞的方法方面，科學家們在不斷取得進展。許多進展雖尚未進入臨床發展，但最終將有助於臨床治療並在基因編輯方面發揮其全部潛力。

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華東師範大學李大力研究組發文題為Dual base editor catalyzes both cytosine and adenine base conversions in human cells，開發了一種新型雙鹼基編輯器催化胞嘧啶和腺嘌呤鹼基在人類細胞的轉化。儘管鹼基編輯器對於精準的基因組編輯非常關鍵，但是現有的鹼基編輯器只能轉化腺嘌呤或者胞嘧啶。作者們所開發的雙鹼基編輯器A&C-BEmax，通過融合脫氨酶和Cas9切口酶可以同時實現C-to-T與A-to-G的轉換。與單鹼基編輯器相比，A&C-BEmax編輯腺嘌呤的活性略有降低，而胞嘧啶活性較高，RNA脫靶活性顯著降低。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0527-y

2

美國麻省綜合醫院J. Keith Joung研究組發問題為A dual-deaminase CRISPR base editor enables concurrent adenine and cytosine editing，與李大力研究組的文章背靠背發表，對現有的單鹼基基因編輯器進行優化，開發了一種CRISPR-Cas9技術為基礎的可以同時編輯腺嘌呤和胞嘧啶的鹼基編輯器SPACE（synchronous programmable adenine and cytosine editor），可以同時引入A-to-G與C-to-T的替換而且RNA脫靶編輯的程度最小。SPACE大大擴展了改變DNA序列的範圍，拓寬了CRISPR基因編輯器的研究應用。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0535-y

3

日本東京大學Nozomu Yachie研究組發文題為Base editors for simultaneous introduction of C-to-T and A-to-G mutations，與前兩篇文章背靠背開發出了同時結合胞嘧啶和腺嘌呤鹼基編輯功能的鹼基編輯器。通過密碼子優化融合胞嘧啶脫氨酶PmCDA1、腺嘌呤脫氨酶TadA以及Cas9切口酶構建了鹼基編輯器Target-ACEmax，在47個基因組位點顯示了較高的同步實現A-to-G與C-to-T的鹼基編輯活性。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0509-0

4

美國加州大學舊金山分校Charles Y. Chiu研究組與Mammoth Biosciences生物公司Janice S. Chen合作發文題為CRISPR-Cas12-based detection of SARS-CoV-2，為新冠病毒檢測提供了新穎的工具。從去年底到如今，全世界暴發了COVID-19病毒，造成了全球的大流行，各個國家公共衛生部門都面臨核酸檢測壓力的超負荷。作者們建立了一種快速的（<40min）、易於實施和準確的基於CRISPR-Cas12的側流用於從呼吸拭子RNA提取物中檢測SARS-CoV-2檢測方法。作者們使用美國36例COVID-19感染患者和42例其他病毒性呼吸道感染患者作為參考樣本和臨床樣本來驗證該方法，證明了該方法的準確性、快速性和有效性。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0513-4

5

中科院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組與李家洋研究組合作發文題為Targeted, random mutagenesis of plant genes with dual cytosine and adenine base editors，在植物中實現了胞嘧啶與腺嘌呤雙鹼基編輯器功能。作物基因的定向飽和誘變可用於產生具有優良農藝性狀的遺傳變異。然而，用於植物基因定向進化的工具非常有限。作者們設計了5個飽和定向內源突變編輯器STEMEs（Saturated targeted endogenous mutagenesis editors），可以產生新的突變並促進植物基因的定向進化。作者們在水稻原生質體中驗證了STEME-1在相同靶位點對於胞嘧啶和腺嘌呤的編輯效率。而STEME-NG包含了切口酶Cas9-NG前間隔區域鄰近基序變體，可以實現水稻原生質體中乙醯輔酶羧化酶的飽和突變。該工作為植物基因組編輯提供了重要的工具。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-019-0393-7

6

美國Broad研究所劉如謙（David R. Liu）研究組發文題為Phage-assisted evolution of an adenine base editor with improved Cas domain compatibility and activity，利用噬菌體輔助進化改進Cas結構域的兼容性與活性的腺嘌呤鹼基編輯器。目前，腺嘌呤基編輯器ABEs的應用受到一定的限制，因為脫氧腺苷脫氨酶組分與除了SpCas9之外的Cas同源物相容性有限。利用噬菌體輔助非連續和連續進化作者們對ABE7.10的脫氨酶組分進行了進化最終得到了ABE8e。與ABE7.10相比，ABE8e含有8個額外的突變，其活性增加了590倍。當與多種Cas9或Cas12同源物配對時，ABE8e的編輯效率大大提高。與ABE7.10相比，ABE8e有利於篩選、幹擾調控區和多路鹼基編輯應用。最後作者們還證明ABE8e可以有效地在人類細胞中BCL11A增強子或HBG啟動子中引入突變，從而上調胎兒血紅蛋白的表達，而這些靶點並不能ABE7.10編輯。ABE8e大大增強了腺嘌呤基編輯的有效性和適用性。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0453-z

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美國Beam Therapeutics公司Giuseppe Ciaramella研究組與Nicole M. Gaudelli發文題為Directed evolution of adenine base editors with increased activity and therapeutic application，對腺嘌呤鹼基編輯器進行定向進化進而提高其編輯活性以及在治療方面的應用。基本腺嘌呤鹼基編輯器如ABE7.10使編輯的A•T到G•C點突變成為可能，但在原代人類細胞中具有挑戰性的位點上基因編輯效率較低。在該工作中作者們使用腺苷脫氨酶變異庫進一步進化ABE7.10，從而生成ABE8s。在原代人類T細胞中，ABE8s能達到98-99%的靶點修飾並且在三個基因座之間多路復用時仍能維持對靶點的編輯。該優化版本的腺嘌呤鹼基編輯器大大提高了靶點編輯效率。

原文連結：https://doi.org/10.1038/s41587-020-0491-6