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科學家開發更高精度的單堿基基因編輯工具

文章來源:神經科學研究所 上海營養與健康研究所   發布時間:2019-06-11  【字號:     】  

  611日,《自然》期刊在線發表了題為《DNA單堿基編輯技術引起RNA脫靶及其通過突變消除RNA活性》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(神經科學研究所)、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室、中國科學院靈長類神經生物學重點實驗室楊輝研究組、四川大學華西二院/生命科學學院郭帆研究組和中國科學院上海營養與健康研究所隸屬的計算生物學研究所(中國科學院-馬普學會計算生物學伙伴研究所)李亦學研究組合作完成,該研究通過全轉錄組RNA測序發現DNA編輯工具單堿基編輯技術存在大量的RNA脫靶,首次證明了BE3BE3-hA3AABE7.10等多個單堿基編輯技術均存在大量的RNA脫靶,并且ABE7.10還會導致大量的癌基因和抑癌基因突變,具有較強的致癌風險。該研究進而通過點突變的方式對三種單堿基編輯工具進行突變優化,使其完全消除RNA脫靶的活性,首次獲得三種更高精度的單堿基編輯工具,為單堿基編輯基礎進入臨床治療提供了重要的基礎。

  單堿基編輯技術是一種是自2012CRISPR/Cas9技術被發現以來最寄予厚望的高精度基因編輯技術,其中一種單堿基編輯技術BE3可以在不切斷DNA雙鏈的情況下精確地引入由C/GT/A的點突變,另外一項單堿基編輯技術ABE7.10可以由T/A突變成C/G的技術,對于基因突變導致的遺傳疾病的治療具有重大意義。90%的罕見病無藥可治,而單堿基編輯技術能夠實現非常高精度的目標打靶,因此單堿基編輯技術相繼成為脊髓性肌營養不良、地中海貧血、血友病、視網膜黃斑變性、遺傳性耳聾等罕見病基因治療的熱門工具之一。

  楊輝團隊今年3月在《科學》雜志報道單堿基編輯技術BE3存在全基因組范圍內的脫靶,引起了廣泛的關注,已有的研究對于基因編輯工具的脫靶檢測都瞄準在DNA水平。而楊輝團隊這次將DNA編輯工具脫靶的檢測范圍擴展到RNA水平,首次證明常用的三種單堿基編輯技術均存在大量的RNA脫靶,通過精巧的實驗設計證明了RNA脫靶主要是由于融合在Cas9上的脫氨酶導致。并且發現被寄予厚望的ABE7.10存在大量的RNA脫靶,并高頻率地發生在癌基因和抑癌基因上。

  通過對混合細胞和單細胞水平的RNA突變位點進行分析,該團隊發現RNA突變位點和目的靶向序列沒有相關性,是由脫氨酶產生的隨機脫靶位點。因此,此前已經被應用到多種疾病模型上成功糾正遺傳突變的單堿基編輯工具存在無法預測的RNA脫靶,有較大的致癌風險。

  為了獲得更加精準的單堿基編輯工具,楊輝團隊對單堿基編輯的胞嘧啶脫氨酶和腺嘌呤脫氨酶分別進行了突變優化,最終獲得能夠完全消除RNA脫靶并且維持DNA編輯活性的高精度單堿基編輯工具。除此之外,楊輝團隊開發的ABEF148A)突變體還能夠縮小編輯窗口,實現更加精準的DNA編輯。該技術在特異性和精確性上超越了ABE7.10,有望在未來成為一種更加安全、更加精準的基因編輯工具。

  該項工作由腦智卓越中心博士研究生周昌陽、計算生物學所博士研究生孫怡迪、四川大學生命科學學院學生燕蕊、上海科技大學生命學院博士研究生劉亞京、中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員左二偉等科研人員,在腦智卓越中心楊輝、四川大學郭帆、腦智卓越中心周海波、計算生物學所李亦學的共同指導下完成,課題組其他成員積極參與,并得到腦智卓越中心流式分選平臺、中科院巴斯德研究所流式分選平臺的大力協助,是眾多課題組合作的成果。該工作得到國家高科技研發項目、中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委員會、上海市科技重大項目、上海市科學技術委員會項目等的資助。

 

科學家開發更高精度的單堿基基因編輯工具




(責任編輯:葉瑞優)

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