单碱基基因编辑研究进展速览

 公司新闻     |      2019-07-31 10:22

  本文中,小编整理了近年来科学家们在单碱基基因编辑研究领域取得的新进展,分享给大家!

  【1】Nat Commun:科学家首次在猪身上实现多位点单碱基编辑

  doi:10.1038/s41467-019-10421-8

  近日,中国科学院广州生物医药与健康研究院赖良学课题组利用单碱基编辑器首次在猪上实现多位点单碱基编辑。据悉,该成果的应用将加速生物医药相关的大动物猪模型培育和农业精准育种。相关研究6月28日发表在Nature Communications杂志上。

  赖良学表示,该研究首次从细胞、胚胎及动物三个层面探讨了单碱基编辑器对猪多基因进行同时点突变的可行性,并且通过体细胞核移植和胚胎注射两种途径获得两种单位点单碱基突变猪模型(杜氏肌营养不良症和早衰症猪模型)和一种三位点单碱基突变猪模型(重症免疫缺陷猪模型)。

  单碱基编辑器是近年才出现的新基因编辑系统,被认为是基因编辑技术3.0版本。而较早期的Cas9等基因编辑工具均会伴随DNA断裂,后者会造成基因组的不稳定性,对被编辑的生物机体带来安全隐患。

  【2】Nature:科学家首获三种更高精度单碱基编辑工具

  doi:10.1038/s41586-019-1314-0

  中科院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)杨辉研究组、四川大学郭帆研究组和中科院上海营养与健康研究所隶属的计算生物学研究所李亦学研究组合作,通过全转录组RNA测序首次发现,包括BE3、BE3-hA3A和ABE7.10等在内的DNA编辑工具单碱基编辑技术存在大量的RNA脱靶,并且ABE7.10还会导致大量的癌基因和抑癌基因突变,具有较强的致癌风险。研究人员通过点突变的方式对3种单碱基编辑工具进行突变优化,使其完全消除RNA脱靶的活性,首次获得3种更高精度的单碱基编辑工具,为单碱基编辑技术进入临床治疗提供了重要的基础。6月11日,相关成果在线发表于Nature杂志。单碱基编辑是一种高精度基因编辑技术,因其能实现高精度的目标打靶,因而成为罕见病基因治疗的热门工具之一,对于基因突变导致的遗传疾病的治疗具有重大意义。

  2019年3月,杨辉团队在《科学》上报道了单碱基编辑技术BE3存在全基因组范围内的脱靶,引起广泛关注。此前的研究对于基因编辑工具的脱靶检测都瞄准在DNA水平,此次杨辉团队将DNA编辑工具脱靶的检测范围扩展到RNA水平,首次证明常用的3种单碱基编辑技术均存在大量的RNA脱靶。通过精巧的实验设计,研究人员证明RNA脱靶主要是由于融合在Cas9上的脱氨酶导致;同时发现被寄予厚望的ABE7.10存在大量的RNA脱靶,并高频率地发生在癌基因和抑癌基因上。

  【3】Science:中国科学家发现胞嘧啶单碱基编辑器存在全基因组范围的脱靶效应

  doi:10.1126/science.aaw7166

  人类的遗传疾病与农作物农艺性状改变通常是由基因组中的单个或少数核苷酸的突变引起的。单碱基基因编辑技术为定向编辑基因组中的关键核苷酸变异提供了重要工具。中科院遗传与发育生物学研究所研究员高彩霞团队在水稻中对两种胞嘧啶编辑器(CBE) BE3和HF1-BE3, 以及一种腺嘌呤编辑器(ABE)的特异性进行了全基因组水平评估,首次在体内利用全基因组测序技术全面分析和比较了单碱基编辑系统在基因组水平上的脱靶效应。相关研究成果于3月1日在线发表在Science杂志上。

  鉴定与定向修正基因组中关键的核苷酸变异,是人类遗传疾病治疗及动植物育种的重要研究方向。基于CRISPR系统的单碱基基因编辑技术是近年来取得的革命性技术之一,已广泛应用于基础研究、疾病治疗和作物遗传改良等各个方面。根据靶向碱基的不同,单碱基编辑器主要分为两类,胞嘧啶单碱基编辑器与腺嘌呤单碱基编辑器,分别由胞嘧啶脱氨酶或改造的腺嘌呤脱氨酶与nCas9蛋白融合而来,对应地可在基因组中的靶向位点实现C>T或A>G的碱基编辑。

  【4】Cell Res:刘光慧等通过单碱基基因编辑重塑超级干细胞

  doi:10.1038/cr.2017.86

  从提高农作物的抗病能力,到原位编辑动物遗传密码,再到靶向摧毁发生基因突变的线粒体,乃至特异性矫正病人细胞中的致病基因突变,基因编辑技术的迅猛发展正在为人类的健康和生活带来不同层面的改变。日前,中科院生物物理所刘光慧课题组、北京大学汤富酬课题组和中科院动物所曲静课题组联合开展的研究进一步拓展了基因编辑技术的应用范围。研究人员利用基因编辑改写了人类基因组遗传密码中的单个碱基,首次在实验室中获得了遗传增强的“超级”干细胞。这种GES细胞能够对细胞衰老和致瘤性转化产生双重抵抗作用,因此为开展安全有效的干细胞治疗提供了可能的解决途径,相关研究刊登在国际杂志Cell Research上。

  再生医学领域存在两个亟待解决的重要科学问题:(1)干细胞治疗的有效性,即如何获得更多高质量的可供移植治疗的人类干细胞,如何赋予这些细胞移植物更强的自我更新、存活、定向分化以及对移植环境(如衰老与应激)的耐受能力,以便令其在体内发挥更为持久的治疗效果。(2)干细胞治疗的安全性,即如何有效降低细胞移植物在体内形成肿瘤的风险。最新发表的这项研究工作聚焦于上述两个重要问题,期望通过基因编辑手段对细胞内的关键基因和信号通路进行精确调控,从而同时实现干细胞活力的提高及致瘤性的减弱,最终获得优质安全的人类干细胞移植物。

  【5】Nat Methods:新方法对人类基因组进行有效地单碱基编辑

  doi:10.1038/nmeth.2840

  近日,来自格莱斯顿研究院的研究团队开发了一项新技术,可以对人类基因组进行单碱基编辑。这不仅增强了目前在干细胞中模拟疾病的能力,也为基因治疗新途径提供了基础。相关研究论文发表在Nature Methods杂志上,其中提出如何有效并且精确地捕获罕见致病突变,以及如何修正这些突变。

  “随着人类遗传学的进步,人们发现了数以百计的与疾病相关的基因突变,但目前我们仍缺乏研究它们的有效方法。”格莱斯顿的医学博士Bruce解释道,“我们需要一种强力有效并且精确的方法来实现对人类基因组的单碱基编辑,而我们的新技术正是这样的一种方法。”阻碍科学家们研究遗传学疾病的主要挑战在于,致病突变出现的频率可低至1%,这使得寻找、研究它们变得非常困难。

  【6】Science子刊:一种新型腺嘌呤碱基编辑器可让细胞RNA编辑最小化

  doi:10.1126/sciadv.aax5717

  在一项新的研究中,来自美国布罗德研究所和哈佛大学的研究人员发现有证据表明使用碱基编辑器会导致细胞中出现意想不到的RNA编辑,相关研究结果发表在Science Advances期刊上,在这篇论文中,他们描述了他们对CRISPR类型腺嘌呤碱基编辑器(ABE)的研究。

  ABE将一个DNA碱基对转换成另一个DNA碱基对,从而允许修复某些细胞类型中的突变,而不会产生不想要的编辑效应。据认为,ABE还有潜力校正几乎一半已知的导致医学疾病的遗传异常。ABE的科学基础对医学界来说变得越来越重要。不幸的是,最近的一些研究已发现,ABE可能也会导致意料之外的编辑。在今年3月,一个研究团队发现胞嘧啶碱基编辑器3型(CBE3)以高于正常的速率诱导单核苷酸变异。在上个月,另一个研究团队发现胞嘧啶碱基编辑器(CBE)和ABE导致RNA中的脱靶编辑。在这项新的研究中,这些研究人员试图在使用ABE时进一步测试脱靶编辑,并在确认后找到一种解决方案。

  【7】Science:我国李亦学课题组和杨辉课题组揭示胞嘧啶碱基编辑器诱导大量的单位点脱靶突变

  doi:10.1126/science.aav9973

  基因组编辑在治疗由致命性突变引起的遗传疾病上有很大的潜力。对基因组编辑的脱靶效应进行全面分析是验证这种编辑实用性所必需的。科学家们已开发出多种方法来检测全基因组范围内的基因编辑脱靶位点。然而,这些方法并不适用于检测体内的单核苷酸变异(SNV)。

  在一项新的研究中,中国科学院等机构的研究人员开发出一种称为GOTI(genome-wide off-target analysis by two-cell embryo injection, 利用双细胞胚胎注射进行全基因组脱靶分析)的方法来评估三种经常使用的基因编辑工具---CRISPR/Cas9、胞嘧啶碱基编辑器3(BE3, rAPOBEC1-nCas9-UGI)、腺嘌呤碱基编辑器7.10(ABE7.10, TadA-TadA*-nCas9)---诱导的脱靶效应。简言之,这些研究人员将CRISPR/Cas9、BE3或ABE7.10与Cre mRNA一起注射到源自Ai9(CAG-LoxP-Stop-LoxP-tdTomato)小鼠的双细胞胚胎的卵裂球中。在胚胎期第14.5天(ED14.5)时,基于tdTomato的表达,利用荧光活化细胞分选方法(FACS)对经过编辑的卵裂球和未经过编辑的卵裂球的后代细胞进行分选。与此同时,在ED14.5时,整个胚胎也很容易经消化后获得足够的单细胞。他们随后对tdTomato阳性细胞和tdTomato阴性细胞单独地进行全基因组测序(WGS)。以来自相同胚胎的tdTomato阴性样本作为对照,利用三种算法对来自相同胚胎的tdTomato阳性样本中的SNV和indel(insertion or deletion, 插入或删除)进行研究。

  【8】Protein Cell报道我国科学家进一步优化腺嘌呤碱基编辑系统

  doi:10.1007/s13238-018-0568-x doi:10.1007/s13238-018-0566-z

  在两项新的研究中,来自中国华东师范大学和中山大学的两个研究小组在小鼠和大鼠品系中开发出一种被称作腺嘌呤碱基编辑器(adenine base editor, ABE)的碱基编辑系统,并对这种系统加以改进,这将对人类遗传疾病和基因疗法带来重大的影响,相关研究结果发表在Protein & Cell期刊上。人基因由碱基A、T、C和G组成,这些碱基以特定的顺序排列在一起来编码遗传信息。这种ABE系统能够产生所需的A→G转化,因而允许科学家们改变遗传密码,同时让不想要的结果最小化。鉴于几乎一半的人类遗传疾病是由C/G→T/C突变引起的,这最好是通过ABE系统加以校正,因此它是一种有前景的治疗应用技术。

  小鼠和大鼠是生物学和医学研究中最为重要的两种模式生物,这是因为它们很容易繁殖并且在生理上与人类相似。利用经过基因修饰的啮齿类动物模型,科学家们在理解人类生物学、疾病病理学和开发治疗多种疾病的治疗方法方面取得了重大进展。然而,即使使用像CRISPR/Cas9这样的靶向基因组编辑技术,也不容易培育出含有在人类疾病中鉴定处的点突变的小鼠或大鼠品系。

  【9】Science:中科院高彩霞课题组发现胞嘧啶碱基编辑器引发意想不到的全基因组脱靶突变

  doi:10.1126/science.aaw7166

  在一项新的研究中,中国科学院的高彩霞(Caixia Gao)课题组通过对作为一种重要的作物物种的水稻进行全基因组测序对胞嘧啶碱基编辑器(BE3和HF1-BE3)和腺嘌呤碱基编辑器(ABE)产生的脱靶突变进行全面调查。他们发现胞嘧啶碱基编辑器(BE3和HF1-BE3)诱导全基因组脱靶突变,相关研究结果发表在Science期刊上。

  单核苷酸变化是人类疾病和经济生物中性状变异的重要原因。通过碱基编辑器对单核苷酸多态性进行基因改造为基因疗法带来了巨大希望,这可能潜在地治愈人类疾病并改善作物植物的性状。科学家们已开发出胞嘧啶碱基编辑器(CBE)和腺嘌呤碱基编辑器(ABE)。这些碱基编辑器是将切口酶型Cas9蛋白与胞嘧啶脱氨酶或腺嘌呤脱氨酶融合在一起形成的,并且经发现它们在单向导RNA(sgRNA)的靶位点中促进C>T或A>G转化(即在靶转化)。尽管CBE和ABE的在靶转化(on-target conversion)在许多有机体中发现,但是它们的脱靶效应并未在全基因组水平上进行过系统性评估。