David Liu再出手,背靠背两篇NBT论文,再次升级CRISPR基因编辑系统

2020
02/12

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2016年4月20日,David Liu(刘如谦)等人在 Nature 发表论文,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。

胞嘧啶碱基编辑器(CBEs)能够在基因组DNA中实现C•G到T•A的转换。而在2019年,我国科学家杨辉和高彩霞各自独立发现,在小鼠胚胎和水稻中,早期版本的胞嘧啶剪辑编辑器BE3会在全基因组范围产生一种低频率Cas9-非依赖的C•G到T•A的脱靶突变。

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。

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。

从提出单碱基编辑技术到现在还不到四年的时间里,美国非营利生物库Addgene已经向全球数千个实验室分发了8000个单碱基碱基编辑相关质粒。

今年2月5日,刘如谦、张锋、J. Keith Joung等人创立的单碱基编辑公司Beam Therapeutics公司也成功上市。

刘如谦认为,人类基因组编辑的时代现在正处于脆弱的开端, 我们都有责任尽一切可能减少不利影响的风险, 尤其是在这些药物开始进入临床试验的时候。

为了解决这个问题,刘如谦教授和他的同事们开发了几种方法来寻找细菌和人类细胞中的脱靶突变,而不需要对整个基因组进行测序。在其中一种方法中,他们将碱基编辑器插入细菌中,并测试微生物对抗生素药物的耐药性。细菌的耐药性越高,碱基编辑器在耐药基因中的DNA突变就越活跃。

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。

中科院遗传与发育生物学研究所植物生物学家高彩霞教授表示:“如果有人把碱基编辑当作药物来使用,那么减少脱靶突变就非常重要。”对高彩霞教授来说,刘如谦教授的筛选方法比发现的新酶本身更令人兴奋。她的实验室发现,一些碱基编辑器在植物细胞中不能很好地工作,所以她希望能够专门筛选那些能工作的酶。

中科院神经科学研究所的遗传学家杨辉教授说,他的实验室成员也开发出了改良的碱基编辑酶,这种酶不会产生可检测到的脱靶突变。该研究成果于2月9日发表在预印本网站bioRxiv上,题目为:High-fidelity base editor with no detectable genome-wide off-target effects。

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。

2019年10月21日,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)。

Nature 杂志评论这一技术是“超精确的新型基因编辑工具”, Science 杂志评论它是“超越CRISPR”的重大突破,哈佛大学教授,CRISPR先驱乔治·丘奇(George Church)盛赞这一成果:“朝着正确方向迈出的一大步”。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%”。

刘如谦教授开发的Prime Editor技术,可以让研究人员更好地控制基因组的各种变化。由于化脓链球菌Cas9(SpCas9)及其工程变异体的靶向范围主要局限于含有G碱基的原间隔序列临近基序

(PAM),这就导致很多基因组位点无法被基于Cas9的方法编辑,一定程度上限制了碱基编辑方法的使用。

该研究报告了三种新的SpCas9变体,通过使用噬菌体辅助的非连续进化共同识别NRNH PAM

(其中R是A或G,H是A,C或T,N是任意碱基)序列。这三种新的SpCas9变体介导了人类细胞中插入缺失的形成和碱基编辑,并通过以前无法靶向的CACC PAM序列实现了镰状细胞贫血突变的A•T到G•C的转换。

这些新进化的SpCas9变体,连同先前报道的变体一起,原则上可以靶向大多数NR PAM序列,并大大减少了基于Cas9的方法无法靶向的基因组位点的比例。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0414-6

https://www.nature.com/articles/s41587-020-0412-8

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