据 ClinVar 数据显示,人类的遗传病中58%是由于单个碱基突变引起的【1】。虽然Cas9激活的同源重组可以实现对突变位点的精确修正,但效率非常低( 0.1%~5%)【2】,严重阻碍了其应用。而通过将胞嘧啶脱氨酶与nickase Cas9(D10A)融合而成的胞嘧啶碱基编辑器BE3(Cytosine base editor, CBE),在不引入 DNA 双链断裂同时也不需要重组修复模板的情况下对编辑窗口(距离PAM远端起的第4-7位)内的胞嘧啶脱氨,实现C>T的碱基转换,具有更加安全、高效、精准的特点【3】。在基因治疗,农作物遗传育种,药物筛选等领域展示了广泛的应用前景【1】。
自CBE被报导以来,多种策略对其进行了优化改进。例如在提高活性方面,主要是通过密码子优化及增加更强的核定位信号【4】、用高活性的胞嘧啶脱氨酶APOBEC3A或 Anc689替换 APOBEC1【4,5】、融合额外的 UGI 增加编辑效率和产物纯度【6,7】。而通过对脱氨酶的分子进化获得的evoAPOBEC1-BE4max大幅提高针对GC motif中胞嘧啶的编辑效率【8】。虽然这些方法一定程度上提高了CBE的活性,但是对于编辑窗口的影响不大,特别是更靠近PAM序列的碱基仍然很难被编辑到。因此,是否有新的策略可以提高编辑活性而又能扩增靶向碱基的范围,一直是碱基编辑器优化的难点。
2020年5月11日,华东师范大学李大力课题组在Nature cell Biology发表了题为Increasing the efficiency and targeting range of cytidine base editors through fusion of a single-strand DNA binding protein domain的研究论文,报道了一系列超高活性的胞嘧啶碱基编辑器(hyCBE),证实其提高编辑效率、扩展编辑窗口的同时保持高效精准的工作性能。
1.Rees, H.A. & Liu, D.R. Base editing: precision chemistry on the genome and transcriptome of living cells.Nat Rev Genet19, 770-788 (2018).
2.Ran, F.A. et al. Genome engineering using the CRISPR-Cas9 system.Nat Protoc8, 2281-2308 (2013).
3.Komor, A.C., Kim, Y.B., Packer, M.S., Zuris, J.A. & Liu, D.R. Programmable editing of a target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage.Nature533, 420-424 (2016).
4.Koblan, L.W. et al. Improving cytidine and adenine base editors by expression optimization and ancestral reconstruction.Nat Biotechnol36, 843-846 (2018).
5.Wang, X. et al. Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion.Nat Biotechnol36, 946-949 (2018).
6.Komor, A.C. et al. Improved base excision repair inhibition and bacteriophage Mu Gam protein yields C:G-to-T:A base editors with higher efficiency and product purity.Sci Adv3, eaao4774 (2017).
7.Wang, L. et al. Enhanced base editing by co-expression of free uracil DNA glycosylase inhibitor.Cell Res27, 1289-1292 (2017).
8.Thuronyi, B.W. et al. Continuous evolution of base editors with expanded target compatibility and improved activity.Nat Biotechnol37, 1070-1079 (2019).