本文中，小編整理了2020年科學(xué)家們在基因編輯研究領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展，分享給大家！
【1】CRISPR兩大“宗師”合作，揭示單堿基編輯器3D結(jié)構(gòu)，解析脫靶機制
基因編輯領(lǐng)域兩位“宗師”David Liu及Jennifer A. Doudna合作，首次揭開了一種“最有前途”的堿基編輯器的3D結(jié)構(gòu)，為調(diào)整堿基編輯器，使之在應(yīng)用過程中更加靈活和可控提供了一個參考。早期的腺嘌呤堿基編輯器（ABE）效率都很低。然而，最新的ABE8e卻快到令人驚訝，對DNA的脫氨基速率比ABE7.10和miniABEmax分別高出590倍和1170倍。然而，這也意味著，ABE8e可能更容易造成脫靶效應(yīng)。對此，研究人員利用冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM）成像技術(shù)，解析了ABE8e結(jié)合DNA時的3D結(jié)構(gòu)?；钚詸z測表明， ABE8e之所以容易產(chǎn)生更多的脫靶編輯，是因為與Cas9融合的脫氨酶蛋白始終處于活躍狀態(tài)。由于這項研究首次報告了這種融合蛋白的結(jié)構(gòu)，它可能有助于指導(dǎo)無數(shù)其他基于Cas9的基因編輯工具的設(shè)計。該研究于7月31日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
David R. Liu團(tuán)隊在哺乳動物細(xì)胞中38,538個基因組整合靶標(biāo)上表征了11個胞嘧啶和腺嘌呤堿基編輯器（CBE和ABE）的序列-活性關(guān)系，并使用所得結(jié)果訓(xùn)練了BE-Hive機器學(xué)習(xí)模型，可準(zhǔn)確預(yù)測堿基編輯基因型結(jié)果（R ≈0.9）和效率（R≈0.7）。研究人員以≥90％的準(zhǔn)確度糾正了3388個與疾病相關(guān)的單核苷酸變異（SNV），其中包括675個等位基因，其“旁觀者”核苷酸被BE-Hive正確預(yù)測，因此無法編輯。該研究發(fā)現(xiàn)了先前無法預(yù)測的C-to-G或C-to-A編輯的決定因素，并利用這些發(fā)現(xiàn)以≥90％的準(zhǔn)確性糾正了174個病原性SNV編碼序列。利用BE-Hive設(shè)計新的CBE變體，以調(diào)節(jié)編輯結(jié)果。這些發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了堿基編輯，實現(xiàn)了以前難以處理的目標(biāo)的編輯，并為新的基礎(chǔ)編輯器提供了改進(jìn)的編輯功能。該研究于7月23日發(fā)表在《Cell》雜志。
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.037
【3】迄今最小基因編輯工具，體積僅為CRISPR-Cas9的一半！
加州大學(xué)伯克利分校創(chuàng)新基因組學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型基因編輯工具——CasΦ，一種最小的CRISPR-Cas系統(tǒng)，由1?70 KD的CasΦ蛋白和一個CRISPR陣列組成，且僅在巨大噬菌體的基因組中編碼，其體積是CRISPR-Cas 9的一半。研究人員發(fā)現(xiàn)CasΦ在其天然環(huán)境中是一種功能性噬菌體蛋白和真正的CRISPR-Cas效應(yīng)子，能夠裂解crRNA互補的DNA。此外，這種單RNA系統(tǒng)比其他活性CRISPR-Cas系統(tǒng)緊湊得多。其中，具有單個指導(dǎo)RNA的CasΦ-2能夠編輯多達(dá)33％的細(xì)胞，這與先前報道的CRISPR-Cas9，CRISPR-Cas12a和CRISPR-CasX的水平相當(dāng)。這項研究于7月17日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
【4】葉海峰團(tuán)隊開發(fā)出遠(yuǎn)紅光激活的基因編輯系統(tǒng)
華東師大葉海峰團(tuán)隊開發(fā)出了遠(yuǎn)紅光（730 nm）激活的Split-Cas9（FAST）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可無創(chuàng)地誘導(dǎo)動物組織內(nèi)部深處的細(xì)胞中的基因編輯活性。FAST系統(tǒng)依賴于兩個具有高親和力結(jié)合域的分裂Cas9融合蛋白：Cas9的一半是組成性表達(dá)的，而另一半由該研究團(tuán)隊先前建立的細(xì)菌光敏色素BphS光學(xué)控制系統(tǒng)的FRL誘導(dǎo)控制。最初，研究人員在人類胚胎腎（HEK）-293細(xì)胞中放置了FAST系統(tǒng)組件，并使用基于發(fā)光二極管（LED）的遠(yuǎn)紅光（FRL）照射來證明靶向基因組編輯的成功激活。之后，在不同的人類細(xì)胞系中實現(xiàn)了FRL誘導(dǎo)編輯后，研究人員通過植入物實驗，證實FAST能夠在位于動物皮下組織的細(xì)胞中強有力地激活基因編輯。然后，他們在轉(zhuǎn)基因tdTOMATO報告小鼠系的實驗中，建立了FRL誘導(dǎo)的小鼠體細(xì)胞（肝細(xì)胞）的快速介導(dǎo)編輯，以及在異種移植瘤小鼠中對癌細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞周期失活基因編輯的研究，以此證明了FAST能夠?qū)辜膊?。這項研究于7月17日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
DOI：10.1038/s41586-020-2477-4
【6】CRISPR編輯iPSC新進(jìn)展：首次報告協(xié)同基因編輯效應(yīng)
日本京都大學(xué)iPS細(xì)胞研究所的科學(xué)家最新研究表明（Nature Communications，2020），DNA DSB修復(fù)與細(xì)胞周期之間有協(xié)同作用，有利于ssOND介導(dǎo)的單核苷酸基因編輯。在iPS細(xì)胞中建立了基于GFP到BFP轉(zhuǎn)化的熒光DNA修復(fù)測定方法，可視化定量單等位基因和雙等位基因靶向過程中DNA修復(fù)結(jié)果的頻率。研究發(fā)現(xiàn)，通過特定培養(yǎng)條件和小分子調(diào)節(jié)DNA修復(fù)和細(xì)胞周期，可協(xié)同增強同源性定向修復(fù)（HDR）的頻率。但是，高頻HDR編輯主要導(dǎo)致雙等位基因報告基因系統(tǒng)中純合突變體的產(chǎn)生，為了在這些條件下生產(chǎn)雜合突變體，這個團(tuán)隊采用了使用混合ssODN修復(fù)模板的策略，來保護(hù)具有沉默突變的一個等位基因。在內(nèi)源性常染色體位點應(yīng)用此協(xié)同基因編輯策略，與基線HDR水平相比，精確編輯生成的雜合和純合突變提高了幾倍。該研究于6月8日發(fā)表于《自然通訊》雜志。
DOI：10.1038/s41467-020-16643-5
【7】李大力團(tuán)隊開發(fā)新型雙堿基基因編輯器
盡管堿基編輯器是用于精確基因組編輯的有用工具，但是當(dāng)前的堿基編輯器只能轉(zhuǎn)換腺嘌呤或胞嘧啶。華東師范大學(xué)李大力團(tuán)隊通過將兩個脫氨基酶與一個Cas9切口酶融合來開發(fā)腺嘌呤和胞嘧啶雙堿基編輯器（A＆C-BEmax），以在同一目標(biāo)位點實現(xiàn)C-to-T和A-to-G轉(zhuǎn)換。與單堿基編輯器相比，A＆C-BEmax對腺嘌呤的活性略有降低，而對胞嘧啶的活性較高，RNA脫靶活性大大降低。這項研究成果于6月1日發(fā)表在《自然生物技術(shù)》雜志。
DOI：10.1038/s41587-020-0527-y
【8】擺脫PAM限制，基因編輯工具再升級
哈佛醫(yī)學(xué)院和麻省總醫(yī)院的Benjamin P. Kleinstiver實驗室再度對SpCas9蛋白進(jìn)行了強勢升級，改造后的SpCas9突變體SpRY幾乎完全擺脫了PAM困擾，其識別的PAM序列涵蓋NRN和NYN（Y為C/T）（NRN > NYN）。SpRY和以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的單堿基編輯系統(tǒng)在PAM為NRN的位點處展現(xiàn)出強大的編輯能力，而在PAM為NYN的位點處的編輯能力雖然有所降低，但依然可觀。該研究開發(fā)的SpCas9突變體SpRY是當(dāng)前對PAM序列兼容性最高的SpCas9突變體，幾乎完全擺脫了PAM序列的限制，其在基因組范圍內(nèi)的編輯能力得到了極大的提高，而衍生而來的單堿基編輯系統(tǒng)讓精準(zhǔn)編輯幾乎拓展至全基因組范圍。這項研究成果于3月27日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
DOI: 10.1126/science.aba8853
針對基因編輯領(lǐng)域的研究不勝枚舉，以上僅羅列了其中的一小部分。在基因編輯技術(shù)取得一個又一個突破后，又因其技術(shù)上的潛在風(fēng)險而飽受爭議。未來基因編輯技術(shù)又該何去何從？我們能否合理的利用這把“上帝賜予的手術(shù)刀”？這是一個值得思考的問題。但在未來，科學(xué)家將對基因編輯的機制進(jìn)行深入的剖析，相信有朝一日，科學(xué)家能夠利用基因編輯技術(shù)克服疾病，造福人類健康。（轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)網(wǎng)360zhyx.com）
