ABE單鹼基編輯器展示在胚胎的編輯潛能

責編丨迦漵

CRISPR/Cas9基因編輯系統利用gRNA識別並引導核酸酶Cas9 對靶DNA進行切割，誘發DNA的非同源重組或同源重組損傷修復機制，從而實現對靶基因序列的編輯。但由於在細胞內基因組傾向於利用非同源重組方式修復，這種特性也極大地限制了傳統CRISPR/Cas9系統在製備疾病點突變動物模型中的應用。在2016年和2017年，美國華裔科學家David R. Liu課題組發表了高效誘導點突變的胞嘧啶單鹼基編輯器（CBE）和腺嘌呤單鹼基編輯器（ABE），其中CBE能夠將DNA 的A、T、C和G四種鹼基中的靶位點C?G向T?A轉變，而ABE則可將靶位點的A? T轉變成G?C【1-2】。在人類已知的致病單鹼基突變中，有48%（約15000個）的突變是G突變成A，有14%（約4500個）的致病突變是A突變成G。因此單鹼基編輯器自誕生以來，其在製備動物模型和治療單鹼基遺傳疾病的潛力和風險成了國際研究的競爭熱點。

2016年，David R. Liu的CBE系統發表後，中國和韓國的研究團隊就CBE系統在胚胎中的應用研究展開了激烈的競爭。2017年2月，韓國首爾國立大學Jin-Soo Kim則在Nature Biotechnology報道了將David R. Liu實驗室開發的BE3系統用於小鼠受精卵基因編輯【3】。緊接其後，2017年6月，中山大學松陽洲和黃軍就實驗室報道了利用具有更高特異性的鹼基編輯系統HF2-BE2在小鼠受精卵進行基因編輯【4】。（見方興未艾：單鹼基基因編輯技術丨BioArt特別推薦）。兩篇文章的不同之處在於，首爾國立大學和中山大學的兩篇小鼠胚胎單鹼基編輯的文章對於編輯過程中的Indels產生有不同的見解：Jin-Soo Kim組發現BE3系統會產生Indels，並提出Indels可能是由Cas9 nickase的單鏈DNA切割活性導致的。松陽洲和黃軍就團隊利用HF2-BE2也發現了Indels，他們指出這些Indels是由於胞嘧啶脫氨酶的脫氨基作用所導致的。後續的研究也支持了中山大學團隊的推論【5】。

2017年9月，黃軍就、周燦權和松陽洲課題組更是在全世界範圍內首次報道將單鹼基編輯器應用於人胚胎遺傳突變的修復，結果顯示單鹼基編輯器能高效修復β地中海貧血的致病點突變【6】，該工作被Nature雜誌專文推薦，在年底更是被評為「2017年Nature雜誌年度最具影響的科學事件」之一（見聚焦丨中國學者再次發表人類胚胎基因編輯成果）。

2017年，David R. Liu的ABE系統發表後，中國和韓國的研究團隊再次展開了激烈的競爭，不同之處是這次我國更多的研究課題組參與其中。在植物基因編輯領域，我國的朱建康課題組、周煥斌課題組和高彩霞課題組率先報道將ABE單鹼基編輯器應用於植物的基因編輯【7-9】。在動物胚胎基因編輯領域，韓國科學家和我國的4個獨立的研究組，包括黃行許和孫強課題組、張連峰和黃行許課題組、松陽洲和黃軍就課題組以及李大力課題組分別獨立報道將ABE單鹼基編輯器應用於小鼠或大鼠的受精卵基因編輯（下圖）【10-14】。

他們的研究發現，ABE與CBE相比，ABE系統更加的準確。在被ABE系統成功編輯的胚胎和F0代小鼠中，ABE系統尚未發現產生鹼基的插入或缺失。而對於CBE系統來說，韓國Jin-Soo Kim課題組，松陽洲和黃軍就課題組，黃行許和孫強課題組都獨立在CBE系統編輯成功的胚胎和F0代小鼠中發現了鹼基的插入或缺失。此外，韓國科學家還發現ABE能夠在成年點突變疾病小鼠中修復基因突變，顯示了其在成體中治療遺傳疾病的潛力。李大力課題組通過將腺嘌呤脫氨酶與SaCas9和SpCas9的突變體融合，進一步擴大了ABE系統的靶向範圍。

中山大學松陽洲和黃軍就課題組以及華東師範大學李大力題組的成果以「背靠背」的形式發表在Protein & Cell雜誌上。值得一提的是，Protein & Cell雜誌同時還發表了中科院生物物理所劉光慧與Salk研究所Juan Carlos Izpisua Belmonte共同撰寫的題為Adenine base editing to mimic or correct disease mutations in rodents的highlight文章（下圖）。

以上研究證明了腺嘌呤單鹼基編輯器（ABE）在基礎研究和疾病治療中的巨大價值，隨著研究和應用的進一步深入，相信有朝一日，腺嘌呤單鹼基編輯器（ABE）將能夠在人類遺傳疾病的模型構建和治療領域大放異彩。

參考文獻：

1.Komor, AC. et al. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.Nature533, 420-424 (2016).

2.Gaudelli NM. et al. Programmable base editing of A*T to G*C in genomic DNA without DNA cleavage.Nature551, 464-471 (2017).

3. Kim K. et al. Highly efficient RNA-guided base editing in mouse embryos.Nature biotechnology35, 435-437 (2017).

4.Liang P. et al. Effective gene editing by high-fidelity base editor 2 in mouse zygotes.Protein & cell8, 601-611 (2017).

5.Liang P. et al. Correction of beta-thalassemia mutant by base editor in human embryos.Protein & cell8, 811-822 (2017).

6.Lei L. et al. APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks.Nature structural & molecular biology25, 45-52 (2018).

7.Hua K., Tao, X., Yuan, F., Wang, D. & Zhu, J.K. Precise A.T to G.C Base Editing in the Rice Genome.Molecular plant11, 627-630 (2018).

8.Yan F. et al. Highly Efficient A.T to G.C Base Editing by Cas9n-Guided tRNA Adenosine Deaminase in Rice.Molecular plant11, 631-634 (2018).

9.Li C. et al. Expanded base editing in rice and wheat using a Cas9-adenosine deaminase fusion.Genome biology19, 59 (2018).

10.Ryu S.M. et al. Adenine base editing in mouse embryos and an adult mouse model of Duchenne muscular dystrophy.Nat Biotechnol(2018).

11.Liu Z. et al. Efficient generation of mouse models of human diseases via ABE- and BE-mediated base editing.Nat Commun9, 2338 (2018).

12.Ma Y. et al. Highly efficient and precise base editing by engineered dCas9-guide tRNA adenosine deaminase in rats.Cell discovery4, 39 (2018).

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