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科學家系統揭示堿基編輯器的效能差異并構建可編輯致病突變數據庫

2019-10-25 上海營養與健康研究所
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  近日,中國科學院上海營養與健康研究所楊力研究組與上海科技大學生命科學與技術學院陳佳研究組通過合作,系統揭示了一系列具有代表性的基因組堿基編輯器(baseeditor)的效能差異,并進一步構建了可利用20種已報道堿基編輯器進行編輯的人類疾病相關單堿基突變位點的數據庫(BEable-GPS, Base Editable prediction of Global Pathogenic SNVs),相關成果以Comparison of cytosine base editors and development of the BEable-GPS database for targeting pathogenic SNVs 為題,于10月22日在線發表在國際學術期刊Genome Biology上。

  由CRISPR/Cas基因編輯酶(如Cas9, Cpf1等)與胞嘧啶脫氨編輯酶(如APOBEC等)整合而成的胞嘧啶堿基編輯系統,可在單堿基水平實現高效率的靶向C-to-T編輯。理論上來講,這種堿基編輯效果的實現不依賴于DNA雙鏈切割活性,可避免對基因組造成損傷,因此具有較高的安全性,未來有望運用于人類疾病相關單堿基突變的定向矯正,在臨床應用中擁有巨大的潛力。自胞嘧啶堿基編輯器2016年被首次報道以來,目前已有數十種改良版本被開發,它們分別由不同的基因編輯酶(如SpCas9, SaCas9, LbCpf1等)和不同的胞嘧啶脫氨酶(如rat APOBEC1, human APOBEC3A等)組成。但是,由于這些堿基編輯器作用位點的偏好性差異,目前尚未有研究對這些編輯器的效能進行系統性比較,同時,基因編輯領域中對不同堿基編輯器可作用的人類疾病相關單堿基突變位點也未見整合和總結。

  在這項最新的合作研究中,科研人員首先對五種具有代表性的堿基編輯器(包括BE3,eBE-S3, BE4max, hA3A-eBE-Y130F和dCpf1-eBE)可共同編輯的單堿基位點進行了生物信息學分析,通過對這5種堿基編輯器在共同靶向位點的編輯效率和編輯產物純度的系統研究,發現BE4max和hA3A-eBE-Y130F可實現最高的編輯效率;同時,由于hA3A-eBE-Y130F堿基編輯器整合了高催化活性的hA3A胞嘧啶脫氨酶,其在人類疾病相關突變位點的編輯能力最為突出。另一方面,由于dCpf1-eBE堿基編輯器整合了完全喪失DNA內切酶活性的dCpf1(dCas12a)基因編輯酶,其在堿基編輯過程中能產生最少的編輯副產物,因此具有最高的編輯產物純度。為了更好地促進堿基編輯器在人類疾病相關突變位點的基礎理論和潛在臨床應用研究,科研人員收集整合了所有目前已知人類疾病相關突變位點的信息,并運用生物信息學算法預測了約20種堿基編輯器在這些突變位點的作用潛力(圖)。預測結果顯示,利用這些堿基編輯器可模擬產生約94.34%的疾病相關C-to-T單堿基突變,同時可糾正約94.28%的疾病相關T-to-C單堿基突變,相關信息以BEable-GPS數據庫的形式供研究人員查詢使用(http://www.picb.ac.cn/rnomics/BEable-GPS)。同時,該數據庫還整合了對任意序列進行堿基編輯預測的服務功能,為堿基編輯器的廣泛應用研究提供了計算生物學理論支持。

  楊力長期從事核酸系統生物學及相關新技術拓展研究,近期通過大數據整合分析揭示了DNA/RNA堿基編輯及相關分子機制(Nat Struct Mol Biol 2018; Mol Cell 2018),并利用核酸編輯酶創建多種高效基因組堿基編輯新體系(Cell Res 2017; Nat Biotechnol 2018a; Nat Biotechnol 2018b)。該項研究成果在楊力和陳佳的共同指導下完成,受到了國家自然科學基金委、科技部基金的支持。楊力研究組2015級碩博連讀研究生王瀅和陳佳研究組2016級碩博連讀研究生高潤澤和研究助理吳晶為同等貢獻共同第一作者。該研究使用的高通量測序數據由PICB Omics Core完成,并儲存于PICB大數據中心(NODE: OEP000459)和NCBI(GEO: GSE136749)。

  論文鏈接

  圖:計算生物學方法預測可編輯的致病突變位點及BEable-GPS數據庫構建。(a)可編輯的人類疾病相關單堿基突變位點的篩選流程。(b)判斷人類疾病相關單堿基突變位點能否被堿基編輯器編輯的流程示意圖。(c)統計20種堿基編輯器可編輯的人類疾病相關單堿基突變位點的數目。(d)BEable-GPS分析顯示一個可編輯的人類疾病相關單堿基突變位點信息及相應單堿基編輯器的gRNA設計結果。

打印 責任編輯:葉瑞優

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