2020年6月30日，中科院上海營養(yǎng)與健康研究所楊力與上海科技大學生命科學與技術學院陳佳教授，應邀在國際知名學術期刊《Trends in Biochemical Science》上發(fā)表題為“A Tale of Two Moieties: Rapidly Evolving CRISPR/Cas-Based Genome Editing”的綜述論文，從全新的角度對CRISPR/Cas基因組編輯技術的創(chuàng)建和應用進行全面總結，并對該領域未來可能的發(fā)展方向進行了展望。
人類基因組DNA蘊含了人類生命活動所必需的遺傳信息，與人類的健康息息相關，而基因組DNA的異常（包括堿基突變等）則能夠導致人類疾病的發(fā)生。利用基因組編輯技術則可以通過糾正基因組中的異常DNA進而達到治療人類遺傳疾病的目的。通常情況下，基因組編輯系統(tǒng)需要兩個主要的構造組分來實現(xiàn)精準的基因組DNA編輯，一個識別基因組DNA特定位置的定位子（locator）和一個對特定基因組DNA進行催化操作的操作子（effector）。例如，早期的基因組編輯系統(tǒng)ZFN和TALEN，分別是將ZF或TALE作為locator與Fok IDNA內(nèi)切酶作為effector結合，可以對基因組DNA進行操作。近年來，利用細菌的CRISPR/Cas免疫系統(tǒng)發(fā)展起來的新一代基因組編輯技術在基礎科學和應用研究方面都取得了一系列革命性的突破。CRISPR/Cas本身既具有與基因組DNA相結合的locator結構域，也具有切割基因組DNA序列的effector結構域，其操作簡便、準確度和編輯效率高，因此在生物醫(yī)學研究中被廣泛應用。更為重要的是，近些年來，研究人員將CRISPR/Cas基因編輯酶（如CRISPR/Cas9、CRISPR/Cas12a、CRISPR/Cas13等）與核酸脫氨編輯酶（如胞嘧啶脫氨酶APOBEC/AID、腺嘌呤脫氨酶突變體TadA或ADAR等）和反轉錄酶（如莫洛尼氏鼠白血病毒反轉錄酶MMLV）整合發(fā)展出的堿基編輯系統(tǒng)（Base??Editor, BE）和導向編輯系統(tǒng)（PrimeEditor，PE），可在單堿基水平實現(xiàn)精準高效的靶向性基因編輯。在該綜述論文中，楊力研究員和陳佳教授主要對基于CRISPR/Cas的新型編輯系統(tǒng)的創(chuàng)建和應用進行了詳盡的梳理；結合其在糾正人類疾病相關突變的應用對這些新型編輯系統(tǒng)的優(yōu)、缺點進行了總結；針對這些編輯系統(tǒng)潛在的基因組和轉錄組突變機制進行了探討，并提出了未來可能的解決方案。
楊力研究員長期從事計算生物學和基因編輯新技術研究。其研究組近期與上海科技大學陳佳教授團隊等開展合作，闡明了APOBEC在CRISPR/Cas9引起的基因組DNA斷裂修復過程中產(chǎn)生突變的分子機制（ Lei et al., 2018, Nat Struct Mol Biol ）；已成功創(chuàng)建四個系列十多種新型堿基編輯系統(tǒng)，包括可降低副產(chǎn)物的eBE系統(tǒng)（ Wang et al., 2017, Cell Res ）、可在高GC區(qū)域和高甲基化區(qū)域進行高效堿基編輯的普適型hA3A-BE系統(tǒng)（ Wang et al., 2018, Nat Biotechnol ）、可在A/T富集區(qū)域進行堿基編輯的dCpf1-BE（dCas12a-BE）（ Li et al., 2018, Nat Biotechnol ）系統(tǒng)和只激活本底水平DNA損傷響應通路的BEACON系統(tǒng)（ Wang et al., 2020, Cell Rep ）、并對已報道的一系列堿基編輯系統(tǒng)開展效率比較和潛在應用分析研究（ Wang et al., 2019, Genome Biol ）。在研究過程中，楊力研究組和合作團隊還報道了利用堿基編輯系統(tǒng)進行人類遺傳突變糾正的預測系統(tǒng)BEable-GPS（Base Editable prediction of GlobalPathogenic SNVs, http://www.picb.ac.cn/rnomics/BEable-GPS）和預測全轉錄組RNA編輯的計算分析流程RADAR（RNA-editing analysis pipeline to decode alltwelve types of RNA-editing events, https://github.com/YangLab/RADAR），也受邀發(fā)表一系列基因編輯相關的評論和綜述論文（ Yang et al., 2019, CRISPR J; Chen et al., 2019, Nat Biotechnol; Yang et al., 2019, Cell ）。（科技處）
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096800042030150X
Figure 1. Cas9nickase作為locator和核酸脫氨編輯酶或逆轉錄酶作為effector相結合構成一系列高效的基因組新型堿基編輯系統(tǒng)。
A, Cas9nickase與胞嘧啶脫氨酶結合介導C-to-T堿基編輯。B, Cas9 nickase與腺嘌呤脫氨酶突變體結合介導A-to-G堿基編輯。C, Cas9 nickase與胞嘧啶脫氨酶和腺嘌呤脫氨酶突變體結合同時介導C-to-T和A-to-G堿基編輯。D, Cas9 nickase與逆轉錄酶結合介導任意的堿基變化、小片段的堿基插入或缺失等。
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