NBT | 填补该领域最后一块拼图！华东师范大学李大力团队开发精准高效的腺嘌呤颠换编辑器

碱基编辑器在基础研究和作为纠正致病性突变的治疗剂方面具有很大的前景。腺嘌呤颠换编辑器的发展提出了一个特殊的挑战。

2023年6月15日，华东师范大学李大力团队在Nature Biotechnology（IF=68）在线发表题为“Adenine transversion editors enable precise, efficient A•T-to-C•G base editing in mammalian cells and embryos”的研究论文，该研究报告了一类碱基编辑器（AXBEs和ACBEs），可以实现有效的腺嘌呤颠换，包括精确的A•T到C•G编辑。

该研究发现小鼠烷基腺嘌呤DNA糖基化酶(mAAG)与Cas9和脱氨酶TadA-8e的融合在特定的序列背景下催化了腺苷的转化。mAAG的实验室进化显著提高了A-to-C/T的转换效率，最高可达73%，并扩大了靶向范围。进一步的工程设计产生了腺嘌呤-胞嘧啶碱基编辑器(ACBEs)，包括高精度的ACBE-Q变体，它精确地安装A-to-C转换，并具有最小的与cas9无关的脱靶效应。ACBEs介导了小鼠胚胎和人类细胞系中五种致病突变的高效安装或纠正。初始小鼠显示平均44-56%的A-to-C编辑和高达100%的等位基因频率。AXBEs和ACBEs为多元化的遗传操作和人类第二大类单核苷酸变异（SNVs）的基因治疗提供新的工具。

人类遗传疾病主要由遗传变异引起，其中约一半是致病性单核苷酸变异(SNVs)。精确的DNA序列转换可以通过基因编辑技术实现，如可编程核酸酶诱导的同源定向修复(HDR)、碱基编辑和先导编辑。HDR是一种双链DNA断裂(DSB)依赖过程，在大多数治疗相关细胞类型中效率低下，需要DNA供体模板。此外，DSB与不希望的副作用有关，如P53激活，大DNA片段缺失和染色体异常，如易位。先导编辑是用于基因组编辑的高度通用和精确的工具，但它们的应用可能会受到需要测试各种设计以实现高效编辑的限制，特别是在原代细胞和体内。尽管最近描述的工程先导编辑向导RNA (epegRNA)和PE4/5max先导编辑系统已经大大提高了许多生命系统的引物编辑效率。

对于一些单核苷酸转化，碱基编辑仍然是最有效的技术，可以在不诱导DSB或不需要供体模板的情况下安装碱基替换。胞嘧啶碱基编辑器(CBEs)可有效生成C•G-to-T•A转化，由Cas9酶、胞嘧啶脱氨酶和尿嘧啶糖基酶抑制剂(UGI)组成，可抑制尿嘧啶DNA N-糖基化酶(UNG)介导的碱基切除修复(BER)途径诱导的胞嘧啶转化副产物，包括C•G-to-G•C和C•G-to-A•T。通过用UNG或DNA修复因子替代CBE UGI，开发了几种增加胞嘧啶颠换编辑频率的C•G-to-G•C碱基编辑器(CGBEs)，这些编辑器主要在哺乳动物细胞中诱导C-to-G转换，但在大肠杆菌中诱导C-to-A颠换。腺嘌呤碱基编辑器(ABEs)由Cas9缺失酶和实验室进化的TadA脱氨酶组成，可以在很少的副产物的情况下实现A•T到G•C的转化。ABEs的产物纯度可以非常高，这可能是由于缺乏高效或表达良好的内源性DNA糖基酶，这些酶可以在肌苷上启动BER，诱导插入和缺失(indels)和腺嘌呤颠换。

诱导程序化A-to- C/T的概念设计示意图（左）和细胞内腺嘌呤转化的潜在分子机制（右）（图源自Nature Biotechnology ）

腺嘌呤颠换在治疗性基因校正和其他基因组工程应用中发挥着重要作用。进行靶向A•T-to-C•G和A•T-to-T•A替换的能力可能分别纠正17%和8%的已知致病性SNVs。然而，到目前为止，还没有腺嘌呤颠换碱基编辑器被描述。除了纠正性基因编辑，可编程腺嘌呤颠换将增加基于诱变的应用结果的多样性，如谱系追踪、遗传筛选和分子进化。

该研究描述了腺嘌呤颠换碱基编辑器的发展，包括Cas9缺失酶，高活性的进化脱氧腺嘌呤脱氨酶TadA-8e和小鼠烷基腺嘌呤/3-甲基腺嘌呤DNA糖基酶(mAAG)变体。通过mAAG的实验室进化以及mAAG和TadA-8e在Cas9缺口酶中的嵌入，开发出了A•T-to-C•G碱基编辑器(ACBEs)，可在哺乳动物细胞中实现高效、精确的A•T-to-C•G转化。ACBEs可以在小鼠胚胎或人类细胞中植入或纠正致病性SNVs。腺嘌呤碱基颠换编辑器的发展极大地拓展了碱基编辑的能力和应用范围。

华东师范大学生命科学学院博士毕业生陈亮、博士研究生洪梦佳和栾昌明为本论文的共同第一作者，华东师范大学为第一单位，华东师范大学生命科学学院李大力教授为本文通讯作者。麻省理工学院-哈佛大学博德研究所David R. Liu教授团队，华东师范大学生命科学学院刘明耀教授及宋高洁研究员、香港中文大学冯波教授等对本项研究提供了重要支持。该研究受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及上海市教委前沿科学基地和重大项目等支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-023-01821-9

转自：“iNature”微信公众号

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