中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊聯合北京齊禾生科生物科技有限公司,在 Nature Biotechnology 期刊發表了題為:Strand-preferred base editing of organellar and nuclear genomes using CyDENT 的研究論文。
該研究開發了一種突破CRISPR限制的模塊化結構的堿基編輯新系統——CyDENT。與此前的堿基編輯工具不同的是,這一系統在細胞核、線粒體和葉綠體中均實現了有效的胞嘧啶堿基編輯,提供了一種具有廣泛基因組靶向能力且高精準的全新堿基編輯工具。

CyDENT系統包含TALE蛋白、FokI切口酶、單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶、DNA外切酶及UGI等組分,并基于一套全新的工作模型:首先由TALE蛋白引導FokI切口酶至細胞核或者細胞器的DNA靶點處產生單鏈切口,之后由DNA外切酶從切口處對包含切口的DNA鏈進行部分外切消化,此時互補鏈將以單鏈DNA的形式呈現,成為單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶的作用底物,并在UGI的幫助下最終完成胞嘧啶堿基編輯。由于能夠發生脫氨的DNA鏈取決于切口產生的位置,該工作模型能夠實現具有單鏈偏好性的堿基編輯,大大提高了編輯精準度。
研究人員分別選取了水稻原生質體細胞核、葉綠體以及HEK293T細胞系線粒體中的靶點進行了測試。結果顯示,CyDENT均可以實現高效的胞嘧啶堿基編輯,其中在動物細胞線粒體中的編輯效率接近40%;更為重要的是,CyDENT系統介導了優于DdCBE的具有單鏈偏好性的線粒體堿基編輯。
此外,得益于CyDENT系統的模塊化特性,研究人員還將該團隊近期利用AI輔助挖掘得到的全新脫氨酶(詳情:Cell:高彩霞團隊利用AI技術開發出新型堿基編輯工具)與其進行結合,成功對處于不同序列背景(TC或GC)下的胞嘧啶進行了有效編輯,提升了堿基編輯的精準性和靈活性。通過將胞嘧啶脫氨酶更換為腺嘌呤脫氨酶,CyDENT還具有進行腺嘌呤堿基編輯的潛力。最后,通過全核基因組和全線粒體基因組脫靶分析表明了CyDENT具有良好的編輯特異性。

總的來說,具有完全自主知識產權的不依賴CRISPR的全新堿基編輯工具CyDENT首次集成了對細胞核和細胞器進行精準堿基編輯的能力。結合該團隊前期挖掘的全新脫氨酶,進一步實現了CyDENT系統從核心組分到底層工作模型的全自主創新。CyDENT系統的開發再次升級了細胞核及細胞器的精準編輯策略,對于疾病治療和農作物精準分子育種具有重要的潛在應用價值。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究組博士后胡佳成,碩士生孫瑜,博士生李帛樹為該論文的并列第一作者;高彩霞研究員與齊禾生科生物科技有限公司的Kevin Tianmeng Zhao博士為論文共同通訊作者。