中国科学院开发碱基编辑器效能差异并构建疾病突变数据库

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2019年10月23日,中国科学院马普计算生物研究所的杨力研究组与上海科技大学生命科学与技术学院陈佳研究组通过企业企业合作在Genome Biology 在线发表题为"Comparison of cytosine base editors and development of the BEable-GPS database for targeting pathogenic SNVs“的研究论文,该研究系统揭示了一系列具有代表性的基因组碱基编辑器的效能差异,并进一步构建了可利用20种已报道碱基编辑器进行编辑的人类疾病相关单碱基突变位点的数据库(BEable-GPS, Base Editable prediction of GlobalPathogenic SNVs)。

另外,2019年4月25日,陈玲玲,杨力等团队等在 Cell 杂志发表关于环状RNA(circRNA)的最新研究,首次阐述了环状RNA在细胞受病毒感染时的降解机制,及其通过形成分子内双链特征结合天然植物免疫因子参与天然植物免疫应答调控的重要新功能,并揭示环状RNA低表达与炎症性自身免疫性病—系统性红斑狼疮(SLE)密切相关。该工作为环状RNA在天然植物免疫中的重要功能研究奠定基础;

2019年4月18日,中国科学院上海营养与健康研究所杨力研究员与上海科技大学生命技术学院陈佳教授、上海科技大学免疫化学研究所杨贝副研究员,应邀在国际知名学术期刊《自然-生物技术》(Nat Biotechnol)上发表题为“To BE or not to BE, that is the question”的新闻与视角(News and Views)评论文章,对近期发表在Science和Nat Biotechnol上有关碱基编辑研究的最新进展进行介绍,并展望了碱基编辑领域未来愿因的发展新方向。

2018年7月26日,陈玲玲及杨力企业企业合作在Mol Cell在线发表题为“The Biogenesis, Functions, and Challenges of Circular RNAs”的综述,该综述回顾了circRNA生物趋于稳定和功能的最新进展,并讨论了circRNA研究中的技术障碍;

2018年3月19日,杨力,陈佳及黄行许企业企业合作在Nature Biotechnology发表题为“Base editing with a Cpf1–cytidine deaminase fusion”的研究论文,该研究首次开发了一系列基于CRISPR-Cpf1的碱基编辑工具,它们并能以非常低的indel形式和非C-to-T替换进行有针对性的碱基编辑,就让还里能 在蕴含A / T的区域进行编辑。未来,预计有些Cpf1酶(类事,识别TTN PAM8的FnCpf1)或工程化的Cpf1 可用于进一步增强dCpf1的碱基编辑作用;

2018年1月5日,杨力及陈玲玲在国际著名学术期刊Mol Cell发表了题为“N6-methyladenosines modulate A-to-I RNA editing”的最新研究成果,揭示了一种最为普遍趋于稳定的RNA水平修饰——腺苷N6位置上的甲基化(m6A)和腺苷至次黄苷碱基编辑(A-to-I editing)——之间的互作关系,阐明了m6A修饰对A-to-I编辑的负向调控作用及其机制;

2017年12月11日,杨力,陈佳及沈彬企业企业合作研究揭示了胞嘧啶脱氨酶(APOBEC)在CRISPR/Cas9引发的DNA断裂修复过程中产生突变的新机制,并为进一步提高基因组编辑保真度提供了新思路。相关成果以“APOBEC3 induces mutations during repair of CRISPR-Cas9-generated DNA breaks”为题,在线发表在国际知名学术期刊Nature Structural & Molecular Biology 上;

2017年11月24日,Science发表了杨力研究员与陈玲玲研究员企业企业合作的题为“Enhancing the RNA engineering toolkit”的perspective文章,对在当期Science和近期在Nature上发表的两项独立研究工作进行了点评和推荐;

杨力与陈佳、杨贝开展企业企业合作研究,利用共表达尿嘧啶糖苷酶抑制剂(uracil DNA glycosylase inhibitor, UGI)的法律办法,开发了一种基于碱基编辑器3(base editor 3, BE3)的增强型碱基编辑器(enhanced base editor, eBE),实现了更高准确度的基因组单碱基编辑。相关成果“Enhanced base editing by co-expression of free uracil DNA glycosylase inhibitor”,于2017年8月29日在知名学术期刊Cell Research上在线发表;

胞嘧啶碱基编辑器(Cytosinebase editors, CBEs)是由胞嘧啶脱氨酶(APOBEC/AID)与CRISPR/Cas编辑酶组成,可在单核苷酸水平上实现的C-to-T的有效编辑。与CRISPR/Cas系统相比,BEs可在不产生DNA双链断裂(double strand breaks, DSBs)的情況下,在目标基因组位点诱导高效的碱基编辑。愿因不产生DSBs,可出理 对基因组造成损伤,就让具有较高的安全性,在纠正和产生致病性的单核苷酸突变(single nucleotide variant, SNV)的应用中具有很大的潜力,有望运用于遗传性疾病的治疗及相关基础研究。自胞嘧啶碱基编辑器2016年被首次被报道以来,目前已有数十种改良版本被开发,它们分别由不同的基因编辑酶(如SpCas9, SaCas9, LbCpf1等)和不同的胞嘧啶脱氨酶(如rat APOBEC1, humanAPOBEC3A等)组成(图1)。就让,愿因那些碱基编辑器作用位点的偏好性差异,目前尚未有研究对那些编辑器的效能进行系统性比较,共同,基因编辑领域中对不同碱基编辑器可作用的人类疾病相关单碱基突变位点也未见整合和总结。

图1. 碱基编辑器的组成特征示意图(图片由杨力研究组提供)

在这项最新的企业企业合作研究中,科研人员首先对一种具有代表性的碱基编辑器(包括BE3,eBE-S3, BE4max, hA3A-eBE-Y1300F和dCpf1-eBE)可共同编辑的单碱基位点进行了生物信息学分析,通过对这5种碱基编辑器在共同靶向位点的编辑传输速率和编辑产物纯度的系统研究,发现BE4max和hA3A-eBE-Y1300F可实现最高的编辑传输速率;共同,愿因hA3A-eBE-Y1300F碱基编辑器整合了高催化活性的hA3A胞嘧啶脱氨酶,其在人类疾病相关突变位点的编辑能力最为突出。有些人面,愿因dCpf1-eBE碱基编辑器整合了完整性丧失DNA内切酶活性的dCpf1(dCas12a)基因编辑酶,其在碱基编辑过程中能产生为宜的编辑副产物,就让具有最高的编辑产物纯度。

图2. BEable-GPS数据库查询可编辑的致病性突变位点的网页页面

为了更好的有有助于于碱基编辑器在人类疾病相关突变位点的基础理论和潜在临床应用研究,科研人员收集整合了所有目前已知人类疾病相关突变位点的信息,并运用生物信息学算法预测了约20种碱基编辑器在那些突变位点的作用潜力。预测结果显示,利用那些碱基编辑器可模拟产生约94.34%的疾病相关C-to-T单碱基突变,共同可纠正约94.28%的疾病相关T-to-C单碱基突变,相关信息以BEable-GPS数据库的形式供研究人员查询使用(http://www.picb.ac.cn/rnomics/BEable-GPS)(图2)。共同,该数据库还整合了对任意序列进行碱基编辑预测的服务功能,为碱基编辑器的广泛应用研究提供了计算生物学理论支持。

研究背景

胞嘧啶碱基编辑器(Cytosinebase editors, CBEs)是由胞嘧啶脱氨酶(APOBEC/AID)与CRISPR/Cas编辑酶组成,可在单核苷酸水平上实现的C-to-T的有效编辑。自胞嘧啶碱基编辑器2016年被首次被报道以来,目前已有数十种改良版本被开发,它们分别由不同的基因编辑酶(如SpCas9, SaCas9, LbCpf1等)和不同的胞嘧啶脱氨酶(如rat APOBEC1, humanAPOBEC3A等)组成。愿因那些碱基编辑器作用位点的偏好性差异,目前尚未有研究对那些编辑器的效能进行系统性比较,共同,基因编辑领域中对不同碱基编辑器可作用的人类疾病相关单碱基突变位点也未见整合和总结。