新型堿基編輯器在微生物中實現(xiàn)任意堿基編輯
作為基因組編輯前沿技術(shù),無需產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂,也無需供體DNA的參與,實現(xiàn)靶位點的精準(zhǔn)點突變,已成為基因編輯的重要研究方向。
開發(fā)新型堿基編輯技術(shù)實現(xiàn)堿基轉(zhuǎn)換甚至任意堿基變換,在合成生物體系構(gòu)建、遺傳疾病的基因治療、生物性狀修飾等領(lǐng)域具有重要意義。
中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所張學(xué)禮研究員帶領(lǐng)的微生物代謝工程研究團隊和畢昌昊研究員帶領(lǐng)的合成生物技術(shù)研究團隊聯(lián)合攻關(guān),設(shè)計構(gòu)建了胞嘧啶脫氨酶-nCas9-Ung蛋白復(fù)合物,創(chuàng)建出新型糖基化酶堿基編輯器(GBE),開發(fā)了可實現(xiàn)嘧啶和嘌呤間轉(zhuǎn)換的單堿基基因編輯系統(tǒng)。基于該系統(tǒng),國際上首次在微生物中實現(xiàn)任意堿基編輯、在哺乳動物細胞中實現(xiàn)胞嘧啶(C)與鳥嘌呤(G)的特異性轉(zhuǎn)換。相關(guān)成果2020年12月底發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》期刊。
成功對大腸桿菌和哺乳動物進行堿基轉(zhuǎn)換
據(jù)介紹,現(xiàn)有堿基編輯器只能實現(xiàn)嘧啶與嘧啶和嘌呤與嘌呤間的堿基轉(zhuǎn)換,尚沒有堿基編輯器實現(xiàn)嘧啶與嘌呤間的特異性堿基轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的胞嘧啶堿基編輯器(CBE)在脫氨酶(AID)的作用下,將DNA單鏈上的C轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏ぃ║),經(jīng)過多次DNA復(fù)制才轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶(T)。
GBE獨辟蹊徑,利用細胞自身DNA修復(fù)系統(tǒng)直接修復(fù)該“非常規(guī)堿基”,生成特定堿基,實現(xiàn)堿基編輯:將尿嘧啶糖基轉(zhuǎn)移酶(Ung)帶到由胞嘧啶脫氨酶形成的尿嘧啶堿基位點,在該位點脫去尿嘧啶,建立無嘌呤/無嘧啶(AP)位點,DNA損傷位點誘導(dǎo)啟動DNA修復(fù),從而實現(xiàn)堿基的轉(zhuǎn)變。實驗結(jié)果證明,GBE堿基編輯器在大腸桿菌中可將C轉(zhuǎn)換為腺嘌呤(A),編輯特異性平均達到93.8%±4.8%,并實現(xiàn)任意堿基間的變換。
在哺乳動物細胞中,GBE堿基編輯器能夠在N20序列的第6位胞嘧啶(C6)處進行高特異性的C到G轉(zhuǎn)換。30個檢測位點、23個位點的C-G編輯特異性大于50%,其中2個位點特異性達到90%以上。
直接將目標(biāo)堿基特異性修改成目的堿基
GBE作為新一代堿基編輯技術(shù),擺脫傳統(tǒng)堿基編輯依賴多次DNA復(fù)制的缺點,直接將目標(biāo)堿基特異性修改成目的堿基,進一步完善了堿基編輯系統(tǒng),填補了現(xiàn)有堿基編輯技術(shù)的空缺,在國際上首次實現(xiàn)微生物基因堿基的任意編輯改造,極大提升了基因編輯和合成生物構(gòu)建能力。
GBE也是第一個可在哺乳動物細胞進行C-G特異性轉(zhuǎn)換的堿基編輯器,具有較高的特異性和較窄的編輯窗口,將為3000多種已知C、G堿基突變引起的人類遺傳疾病治療帶來曙光。該堿基編輯技術(shù)的突破,進一步提高了我國生物技術(shù)的底層技術(shù)能力,將為生物產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的自主創(chuàng)新發(fā)揮重要作用。
該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院重點部署項目、國家自然科學(xué)基金以及天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動的支持。相關(guān)成果已申請PCT專利。(記者 陳 曦)
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