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预测:生物科研黑科技单碱基编辑技术

作者:佚名    发布日期:2017-12-29 13:00


近日,CRISPR魔剪升级版黑科技,单碱基编辑技术(Base Editing)连续入选顶尖期刊《自然》杂志十大人物以及《科学》杂志十大突破,应用单碱基编辑技术治疗“贝多芬小鼠”也荣登权威期刊《Nature》。

 
著名华人科学家哈佛大学David Liu教授引领单碱基编辑技术


近日,CRISPR魔剪升级版黑科技,单碱基编辑技术(Base Editing)连续入选顶尖期刊《自然》杂志十大人物以及《科学》杂志十大突破,应用单碱基编辑技术治疗“贝多芬小鼠”也荣登权威期刊《Nature》。


众所周知,在基因编辑领域,MIT的张锋教授、美国加州大学伯克利分校教授Jennifer Doudna、德国马普感染生物学研究所教授Emmanuelle Charpentier、哈佛大学遗传技术狂人George Church等一众大咖引领着这个领域的发展。然而,自打单碱基编辑技术出现之后,哈佛大学的David Liu教授团队逐渐引领这一细分领域,成了名副其实的基因编辑技术大牛,未来很有可能持续走热。

 
 
 
贝多芬小鼠

 

耳聋作为最常见的感觉性损伤,大约50%是由遗传因素导致的,而TMC1便是引起遗传性耳聋的常见基因之一,TMC1突变可引起常染色体隐性和常染色体显性非综合征型耳聋。


近日,十大人物的同一期《自然》期刊,David Liu教授研究团队再次发布了一项CRISPR重磅研究,利用单碱基编辑技术成功修复了名为“贝多芬小鼠”小鼠的TMC1基因突变,从而减少了小鼠的听力损失,为遗传性耳聋的基因治疗奠定了基础。


魔剪升级版-单碱基编辑


单碱基编辑技术是基于CRISPR-Cas基因编辑系统开发出来的一种有用的单个碱基替换手段。其主要是通过将失去酶活性的dCas9蛋白与脱氨基酶比如APOBEC1或者AID融合而成,因此,既具有了dCas9结合特定DNA序列的定位能力,又具有改变碱基的能力。


这里就不得不提到一类能够将胞嘧啶(C)变成胸腺嘧啶(T)的酶(实际上是先将C变成U,然后通过细胞中DNA的修复或复制机制将U变成T),叫做胞嘧啶核苷脱氨酶(cytidine deaminase),比如APOBEC1 (apolipoprotein B editing complex 1) 或者AID (activation-induced deaminase)等等。将这些酶与基因编辑工具比如ZFN、TALEN或者dCas9等等蛋白质融合,就可以在特定的位点将C转变成T,从而达到修复突变的目的(原理如下图)。

 

单碱基编辑技术的原理图(图片来源于Nature)


利用单碱基编辑技术修复基因突变这个过程是怎样的呢?


如上面的图所示,这里举的是dCas9与胞嘧啶核苷脱氨酶融合催化特定序列的C变成T的过程。首先是dCas9-cytidine deaminase复合物在引导RNA的引导下与特定位点的基因组DNA结合,目的是要把这个位点的C(或G)突变变成T(或A);复合物结合到靶序列之后,接着cytidine deaminase催化C脱氨基变成U(尿嘧啶),由于尿嘧啶U不是DNA中的碱基类型,并且另一条DNA链中的G和U也不配对,因此接下来就会在DNA复制或者DNA修复的过程中,U(或者G)就被替换成T(或者A),从而达到了将C(或者G)变成T(或者A)的目的。


▶顶尖期刊发了一大把◀


众所周知,在基因编辑领域,MIT的张锋教授、美国加州大学伯克利分校教授Jennifer Doudna与德国马普感染生物学研究所教授Emmanuelle Charpentier、哈佛大学遗传技术狂人George Church等一众大咖引领着这个领域的发展,发表国际顶尖期刊《自然》、《科学》及《细胞》等大文章发到手软。


而自打哈佛大学的David Liu团队进入单碱基编辑这一领域之后,便在这一领域一骑绝尘!事实上,单碱基编辑技术很大程度上是由David Liu团队改造并持续引领这一领域的发展。其发明的单碱基编辑技术采用dCas9融合大鼠的rAPOBEC1,目前都已经开发到第四代,简称BE4


目前都已经开发出哪些应用于单碱基编辑的工具了呢?


主要有下面这几种:1)dCas9融合大鼠的rAPOBEC1,目前都已经开发到第四代,简称BE4;2)dCas9融合七鳃鳗或者人的AID (activation-induced cytidine deaminase, AID),简称Target-AID;3)CRISPR-x,由dCas9以及sgRNA组成,只不过这个sgRNA包含有MS2 RNA短发加结构,这样一来,这种sgRNA就可以招募MS2蛋白融合的AID进行base editing;4)ZFN或者TALEN融合的AID或者APOBEC。这些相应的base editing工具总结如下面的Table1所示(不完全统计)。

 
Table1:部分单碱基编辑工具总结(图片来源于Nature)


 

▶应用领域◀


那么,这些单碱基编辑方法目前有哪些应用呢?或者未来可能能够应用到哪些方面呢?


主要可能有这几个方面:首先,可以应用于基因突变疾病的修复治疗研究;其次,应用于动物模型的研究及细胞研究;第三,可以应用于农业领域;第四,可以结合sgRNA库应用于基因或者药物的大规模筛选(如下面的图A-C所示)。

单碱基编辑工具的应用举例总结(图片来源于Nature)


精确高效的单碱基编辑成功,是一个重大的进步。与传统的CRISPR-Cas基因编辑相比,单碱基编辑技术不需要核酸链的完全断裂,于是大大避免了因修复核酸链断端而引入的错误,可以在很多情况下大大降低脱靶率。


可以预见,未来单碱基编辑一定可以作为基因编辑系统的一个重要工具,在基因治疗,育种等领域发挥重要作用。而对于发文章的科研工作者而言,可以持续关注这一领域动态,为自己的研究加码。


参考资料:


1.Kim D et al. Genome-wide target specificities of CRISPR RNA-guided programmabledeaminases. Nat Biotechnol. 2017 May;35(5):475-480. doi: 10.1038/nbt.3852. Epub2017 Apr 10.


2.Hess GT et al. Methods and Applications of CRISPR-Mediated Base Editing inEukaryotic Genomes. Mol Cell. 2017 Oct 5;68(1):26-43. doi:10.1016/j.molcel.2017.09.029.

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