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.