基因編輯已經(jīng)開始應(yīng)用于基礎(chǔ)理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用中，這些研究和應(yīng)用，有助于推進(jìn)生命科學(xué)許多領(lǐng)域的發(fā)展，從研究植物和動物的基因功能到人類的基因治療。
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(jī)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“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，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?yàn)榕cCas9融合的脫氨酶蛋白始終處于活躍狀態(tài)。由于這項(xiàng)研究首次報(bào)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(jì)。該研究于7月31日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
ABE8e捕獲DNA時的Cryo-EM結(jié)構(gòu)
DOI:10.1126/science.abb1390
【2】David Liu再獲新突破：無需實(shí)驗(yàn)，就能知道基因編輯結(jié)果David R. Liu團(tuán)隊(duì)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(jī)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(jì)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(shí)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(bǔ)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(bào)道的CRISPR-Cas9，CRISPR-Cas12a和CRISPR-CasX的水平相當(dāng)。這項(xiàng)研究于7月17日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
巨噬細(xì)胞編碼的CasΦ在其宿主的超感染情況下的功能示意圖
DOI: 10.1126/science.abb1400
【4】葉海峰團(tuán)隊(duì)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(duì)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(duì)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。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(shí)現(xiàn)了FRL誘導(dǎo)編輯后，研究人員通過植入物實(shí)驗(yàn)，證實(shí)FAST能夠在位于動物皮下組織的細(xì)胞中強(qiáng)有力地激活基因編輯。然后，他們在轉(zhuǎn)基因tdTOMATO報(bào)告小鼠系的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究于7月17日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。
FAST系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
DOI: 10.1126/sciadv.abb1777
【5】劉如謙團(tuán)隊(duì)再作創(chuàng)舉！首次開發(fā)線粒體基因編輯工具！
繼“單堿基編輯法”和“先導(dǎo)編輯”這兩大基因編輯技術(shù)突破后，全球基因編輯領(lǐng)域的前列學(xué)者，麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)布羅德研究所的化學(xué)生物學(xué)家劉如謙（David R. Liu）團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一種細(xì)菌毒素，DddA，可以將胞嘧啶（C）轉(zhuǎn)化為尿嘧啶（U）。DddA可直接作用于雙鏈DNA，無需依靠Cas9酶來進(jìn)行破壞。該研究使用一個不依賴CRISPER堿基編輯器——DdCBE，實(shí)現(xiàn)了對線粒體基因組的精準(zhǔn)編輯，這是優(yōu)異的研究和治療線粒體遺傳病的工具。除了試圖創(chuàng)建人類線粒體疾病的細(xì)胞和小鼠模型外，研究人員還將尋找其他可以修飾雙鏈DNA的細(xì)菌脫氨酶。他們還希望提高編輯效率并減少脫靶編輯，以便可以在人類中測試mtDNA基礎(chǔ)編輯。該研究于7月8日發(fā)表在《自然》雜志。
DOI：10.1038/s41586-020-2477-4
【6】CRISPR編輯iPSC新進(jìn)展：首次報(bào)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(qiáng)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(bào)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(duì)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(diǎn)應(yīng)用此協(xié)同基因編輯策略，與基線HDR水平相比，精準(zhǔn)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(duì)開發(fā)新型雙堿基基因編輯器
盡管堿基編輯器是用于精準(zhǔn)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(duì)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(diǎn)實(shí)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(xiàng)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P(yáng)AM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(shí)驗(yàn)室再度對SpCas9蛋白進(jìn)行了強(qiáng)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(diǎn)處展現(xiàn)出強(qiáng)大的編輯能力，而在PAM為NYN的位點(diǎn)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序列兼容性較高的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(xiàng)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(xiǎn)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(jī)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。
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