我校生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳佳課題組、黃行許課題組與中國(guó)科學(xué)院－馬普計(jì)算生物學(xué)研究所研究員楊力（我校生命學(xué)院特聘教授）研究組開(kāi)展合作研究，成功開(kāi)發(fā)出一系列基于人胞嘧啶脫氨酶APOBEC的新型普適堿基編輯器，其中基于人APOBEC3A（hA3A）的堿基編輯器可高效介導(dǎo)甲基化胞嘧啶mC到胸腺嘧啶T的編輯。北京時(shí)間8月20日，相關(guān)工作以“Efficient base editing in methylated regions with a human APOBEC3A-Cas9 fusion”為題，在知名學(xué)術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）上在線(xiàn)發(fā)表。

近年來(lái)，將CRISPR/Cas 基因編輯酶（如CRISPR/Cas9、CRISPR/Cpf1等）與核酸脫氨編輯酶（如胞嘧啶脫氨酶APOBEC/AID、腺嘌呤脫氨酶ADAR等）整合發(fā)展出的堿基編輯系統(tǒng)（Base Editor,BE），可在單堿基水平對(duì)基因?qū)崿F(xiàn)高效率的靶向編輯改造。這種新型堿基編輯系統(tǒng)理論上可對(duì)數(shù)百種引起人類(lèi)疾病的基因組單堿基突變進(jìn)行定點(diǎn)矯正，因此擁有巨大的臨床應(yīng)用潛力。堿基編輯技術(shù)于2017年被《科學(xué)》雜志評(píng)為全球十大年度科學(xué)突破之一，進(jìn)一步凸顯出該領(lǐng)域在科學(xué)研究和臨床應(yīng)用上的重要潛力。

在這項(xiàng)最新的研究中，合作團(tuán)隊(duì)首先利用生物信息學(xué)方法系統(tǒng)分析了與人類(lèi)疾病相關(guān)的單堿基突變，發(fā)現(xiàn)很多胸腺嘧啶T到胞嘧啶C的突變大部分處于CpG二核苷酸位點(diǎn)。而在哺乳動(dòng)物基因組中，CpG位點(diǎn)的胞嘧啶通常易被甲基化修飾。目前已報(bào)導(dǎo)的堿基編輯系統(tǒng)大多是利用大鼠APOBEC1（rA1）作為脫氨酶進(jìn)行基因組編輯，合作團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)此類(lèi)rA1依賴(lài)的堿基編輯通常會(huì)受到DNA甲基化修飾水平的影響，因此在基因組DNA高甲基化區(qū)域無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的堿基編輯。

為了實(shí)現(xiàn)高甲基化區(qū)域內(nèi)的高效堿基編輯，合作團(tuán)隊(duì)利用十余種來(lái)自不同物種的APOBEC胞嘧啶脫氨酶家族蛋白構(gòu)建出一系列新型堿基編輯器，可廣泛用于胞嘧啶C至胸腺嘧啶T單堿基編輯。更為重要的是，合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列篩選分析，發(fā)現(xiàn)基于人APOBEC3A的堿基編輯器（hA3A-BE）可在基因組高甲基化區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效的甲基化胞嘧啶mC至胸腺嘧啶T單堿基編輯。深入研究發(fā)現(xiàn)，hA3A-BE是一種普適且高效的堿基編輯器，可在已檢測(cè)的多種環(huán)境中實(shí)現(xiàn)胞嘧啶C（或甲基化胞嘧啶mC）至胸腺嘧啶T的高效編輯。最后，通過(guò)對(duì)人APOBEC3A的系統(tǒng)性改造，研究團(tuán)隊(duì)縮小了hA3A-BE的編輯區(qū)間，進(jìn)一步提高了其堿基編輯的精度。與之前報(bào)道的基于大鼠APOBEC1的堿基編輯器相比，基于人APOBEC3A的新型堿基編輯器應(yīng)用范圍更加廣泛，這為堿基編輯系統(tǒng)在基礎(chǔ)研究及未來(lái)臨床領(lǐng)域的全面深入應(yīng)用提供了新工具、新方法和新思路。

陳佳課題組長(zhǎng)期從事DNA損傷修復(fù)機(jī)制以及基因編輯相關(guān)的研究工作，此前已闡明APOBEC胞嘧啶脫氨酶在CRISPR/Cas9介導(dǎo)的基因編輯過(guò)程中產(chǎn)生突變的分子機(jī)制（Lei et al., 2018, Nature Structural & Molecular Biology）；成功創(chuàng)建增強(qiáng)型Cas9堿基編輯器（Wang et al., 2017, Cell Research）以及可在基因組A/T富集區(qū)域內(nèi)開(kāi)展有效編輯的Cpf1堿基編輯器（Li et al., 2018, Nature Biotechnology）；陳佳教授還應(yīng)邀接受《細(xì)胞》雜志采訪(fǎng)探討基因編輯領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向（Chen et al., 2018,Cell）。

該論文中，陳佳課題組2016級(jí)碩博連讀研究生王瀟、黃行許課題組2015級(jí)碩博連讀研究生李佳楠、免疫化學(xué)研究所楊貝博士和中科院計(jì)算生物學(xué)研究所楊力研究組2015級(jí)碩博連讀研究生王瀅和研究助理韋佳為共同第一作者，陳佳、楊力、黃行許為共同通訊作者，上科大為第一完成單位。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委和上科大科研啟動(dòng)基金的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/nbt.4198

a:構(gòu)建多種堿基編輯器并篩選其在高甲基化區(qū)域的編輯效率

b:hA3A-BE3能夠在高甲基化區(qū)域進(jìn)行高效堿基編輯