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Nat. Biotechnol重磅!中国科学家联合开发新型单碱基编辑器,可实现C-T精准转换!

基因编辑技术的快速发展能够极大地推动疾病模型制备和人类疾病临床治疗,因此对于该系统的精准与高效的要求也日益迫切。2017年10月25日,Broad研究所华人学者David Liu等学者发明了一种新的基于Cas9的基因编辑工具:碱基编辑器(Base Editing),将CRISPR/Cas9和APOBEC(胞嘧啶脱氨酶)整合,能够在不通过DNA双链断裂的情况下,将A-T碱基对转换为G-C碱基对,实现对基因组点突变的定点矫正修复。

在基因编辑系统内,CRISPR/Cas9和CRISPR/Cpf1(Cas12a)可以通过切除小的DNA序列,从而沉默或降低错误基因的表达。目前已报道的碱基编辑系统多是利用Cas9蛋白与靶向基因组结合,而基于Cpf1的新型碱基编辑器鲜有报道。Cas9的靶向性依赖于靶点附近的PAM(Protospacer Adjacent Motif)序列,目前已知的Cas9蛋白能够识别富含鸟嘌呤/胞嘧啶(G/C)的PAM序列,但无法在腺嘌呤/胸腺嘧啶富集区域(A/T-rich)进行高效碱基编辑工作

3月19日,来自上海科技大学生命学院的陈佳教授课题组、中国科学院马普计算生物学研究所研究员杨力课题组与上海科技大学生命学院黄行许教授课题组合作,在Nature Biotechnology在线发表文章“Base editing with a Cpf1–cytidine deaminase fusion”,该研究首次构建了基于CRISPR/Cpf1的新型碱基编辑器Cpf1-BE,借助Cpf1蛋白可识别富含A/T的PAM序列的特点,Cpf1-BE在富含A/T的区域进行碱基编辑操作,与现有的Cas9单碱基编辑工具实现有效互补,为碱基编辑系统的研究发展及临床应用提供新思路。

单碱基编辑系统理论上可对数百种引起人类疾病的基因组点突变进行定点矫正,具有极大地临床应用潜力。研究人员通过将大鼠APOBEC1酶融合到来自Lachnospiraceae的Cpf1蛋白(已催化失活),开发出新型碱基编辑器Cpf1-BE,可识别富含A/T的PAM序列,催化人类细胞中C-to-T转换,同时诱导低水平的插入缺失、非C至T替换和脱靶效应,具有更高的编辑精准度

未来,预计其他Cpf1酶或工程化的Cpf1 可用于进一步增强dCpf1的碱基编辑作用。该研究工作在陈佳教授、杨力研究员、黄行许教授的共同指导下,由陈佳研究组2014级硕博连读研究生李潇飒、杨力研究组2015级硕博连读研究生王滢和黄行许研究组2014级硕博连读研究生刘亚京等共同完成。

Cpf1与Cas9

Cas9碱基编辑器与Cpf1碱基编辑器的特点比较

Cpf1(Cas12a)是来自Acidaminococcus和Lachnospiraceae的Cas蛋白,经张锋等人研究证实,可靶向人类细胞的基因组位点。基于Cas12a的研究虽然没有Cas9更加引人注目,但仍有很多科学家在不断开发其应用。2 月 15 日,Science发表了基因编辑大牛Jennifer Doudna 实验室基于CRISPR/Cas12a开发的全新诊断工具,能够很容易地用于检测HPV病毒或细菌感染,甚至是癌症标志物,染色体异常或其他的遗传信号。

Cpf1与Cas9的不同之处在于:

Cpf1需要富含T的PAM序列识别目标DNA;Cpf1的sgRNA比Cas9短,该系统只需要一条RNA,更简单;Cpf1酶也比标准Cas9要小,使其易于传送至细胞和组织内;Cpf1切割位点在PAM序列的远端和下游,而Cas9的切割位点在近端和上游;Cpf1以一种不同于Cas9的方式切割DNA,当Cas9复合物切割DNA时,它切割的是同一位点的两条链,留下的平末端在重新连接时往往会发生突变。采用Cpf1复合物生成的两条链切口是偏移的,切割处为短悬端(overhang)。这有助于精确插入整合DNA;Cpf1切口远离识别位点,意味着即便在切割位点靶基因突变,仍然可以进行再度切割,提供多次编辑机会进行校正;Cpf1系统靶点选择具有新的灵活性,为靶向某些基因组如疟原虫及人类基因组提供优势。与Cas9相比,Cpf1也诱导更少的脱靶效应

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本文由 测序中国 作者:陈初夏 发表,转载请注明来源!

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