Xiao-Le Deng

单碱基编辑技术汇总

2020-02-11 21:00
#Bio

1. 前言

单碱基编辑技术可以只重写DNA上的一个碱基,从而在最基础的水平上进行干预以治疗多种疾病。如果把现有的基因编辑方法(CRISPR/Cas9)比作切割基因组的“剪刀”,那么单碱基编辑器就是“铅笔”,可以一次擦除和重写一个碱基。Nature的基因编辑的页面为:

2. 研究进展

  • 2016年4月20日,David Liu(刘如谦)等人在 Nature 发表论文,在 J. Keith Joung 研究的基础上首次开发出了单碱基编辑器,可将G•C碱基对转换成T•A 碱基对。

  • 2017年10月25日,David Liu(刘如谦)等人在 Nature 发表论文,成功开发了腺嘌呤碱基编辑器 (ABE),可以将A•T碱基对转换成G•C碱基对。这些发现,在不依赖DNA双链断裂的情况下,实现对单个碱基的定向修改。

  • 2019年10月21日,单碱基编辑技术开创者,Broad研究所刘如谦(David R. Liu)教授在Nature杂志发表题为:Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA 的研究论文。该研究开发了一种全新的精准基因编辑工具——先导编辑(Prime Editor),无需依赖DNA模板便可有效实现所有12种单碱基的自由转换,而且还能有效实现多碱基的精准插入与删除(最多插入44个碱基,或删除80个碱基)。Prime Editor不仅效率大大提高,而且脱靶效应更低,刘如谦团队在论文中表示,该技术“原则上可以修复75000种已知致病性人类遗传变异的89%”。

  • 2020年2月10日,单碱基编辑技术开创者,Broad研究所刘如谦(David R. Liu)教授在 Nature Biotechnology 杂志背靠背发表了2篇研究论文,进一步改进了单碱基编辑系统和CRISPR/Cas9系统,大大降低了单碱基编辑器的脱靶率,大大提高了spCas9的靶向范围。

    1. 第一篇题目:Evaluation and minimization of Cas9-independent off-target DNA editing by cytosine base editors。该论文通过多种快速、经济有效的方法,筛选出了一种保真度更高的碱基编辑酶YE1,并对YE1进行了改进,使其既能高效地将C转变为T,又能极大程度上降低脱靶突变(比以前的碱基编辑方法脱靶率低10-100倍),即超精确的碱基编辑器。刘如谦等人于2016年首次提出的单碱基碱基编辑系统比传统的CRISPR/Cas9编辑系统更可控,但也会在基因组范围发生随机的“脱靶”突变,并且检测这些随机突变的唯一方法是进行全基因组测序,这是一种既繁琐又昂贵的方法。因此,基因编辑技术走向临床应用仍面临很大的问题。研究小组用他们的方法来筛选各种酶,包括自然产生的酶和人工合成的酶,以寻找保真度更高的碱基编辑酶。最终筛选出了一组酶,既能高效地将C转变为T,又能极大程度上降低脱靶突变。
    2. 第二篇题目:Continuous evolution of SpCas9 variants compatible with non-G PAMs。该研究开发了新的SpCas9酶,这种酶可以靶向之前无法靶向的DNA区域。该研究可能会进一步增加单碱基编辑方法的实用性。

3. 英文文献

  • Komor, A., Kim, Y., Packer, M. et al. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature 533, 420–424 (2016). https://doi.org/10.1038/nature17946
  • Gaudelli, N., Komor, A., Rees, H. et al. Programmable base editing of A•T to G•C in genomic DNA without DNA cleavage. Nature 551, 464–471 (2017). https://doi.org/10.1038/nature24644
  • Anzalone, A.V., Randolph, P.B., Davis, J.R. et al. Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature 576, 149–157 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4
  • Doman, J.L., Raguram, A., Newby, G.A. et al. Evaluation and minimization of Cas9-independent off-target DNA editing by cytosine base editors. Nat Biotechnol (2020). https://doi.org/10.1038/s41587-020-0414-6
  • Miller, S.M., Wang, T., Randolph, P.B. et al. Continuous evolution of SpCas9 variants compatible with non-G PAMs. Nat Biotechnol (2020). https://doi.org/10.1038/s41587-020-0412-8

4. 中文参考