作為基因組編輯前沿技術，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)新型堿基編輯技術實現(xiàn)堿基轉(zhuǎn)換甚至任意堿基變換，在合成生物體系構建、遺傳疾病的基因治療、生物性狀修飾等領域具有重要意義。

中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所張學禮研究員帶領的微生物代謝工程研究團隊和畢昌昊研究員帶領的合成生物技術研究團隊聯(lián)合攻關，設計構建了胞嘧啶脫氨酶-nCas9-Ung蛋白復合物，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)?；谠撓到y(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。相關成果2020年12月底發(fā)表在《自然·生物技術》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?U)，經(jīng)過多次DNA復制才轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶(T)。

GBE獨辟蹊徑，利用細胞自身DNA修復系統(tǒng)直接修復該“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損傷位點誘導啟動DNA修復，從而實現(xiàn)堿基的轉(zhuǎn)變。實驗結果證明，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。

直接將目標堿基特異性修改成目的堿基

GBE作為新一代堿基編輯技術，擺脫傳統(tǒng)堿基編輯依賴多次DNA復制的缺點，直接將目標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。該堿基編輯技術的突破，進一步提高了我國生物技術的底層技術能力，將為生物產(chǎn)業(yè)關鍵技術的自主創(chuàng)新發(fā)揮重要作用。

該研究獲得國家重點研發(fā)計劃、中國科學院重點部署項目、國家自然科學基金以及天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升行動的支持。相關成果已申請PCT專利。(記者 陳 曦)