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Nat Chem Biol丨實(shí)現(xiàn)小鼠體內(nèi)Cas9難編輯位點(diǎn)的高效編輯!楊輝/張海南/黃錦海團(tuán)隊(duì)開發(fā)出靶向更廣的微型堿基編輯器

CRISPR/Cas9系統(tǒng)自發(fā)現(xiàn)以來,得到快速發(fā)展已被廣泛應(yīng)用生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、基因治療、動(dòng)植物育種改良等領(lǐng)域【1】。基于Cas9切口酶(nCas9)與脫氨酶結(jié)構(gòu)域/糖基化酶(MPG或UNG)的融合成的堿基編輯器(ABE,CBE,gGBE,gTBE),可高效實(shí)現(xiàn)A-to-G,C-to-T,C-to-G,G-to-C/T,以及T-to-G/C的堿基替換,為糾正突變的疾病位點(diǎn)提供了精準(zhǔn)高效基因編輯工具【2-6】。然而由于Cas9的體積過大(1368個(gè)氨基酸),基于nCas9的堿基編輯器難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)AAV(4.7kb) 的包裝遞送,極大限制了在體基因編輯的發(fā)展應(yīng)用。近年來一系列緊湊型的Cas9蛋白【7-9】、Cas12f系列同源物【10-14】、以及其祖先蛋白TnpB【15,16】被報(bào)道,由于編輯活性有限,或缺乏HNH結(jié)構(gòu)域而難以改造為缺口酶,都限制用于堿基編輯器的開發(fā)。2021年,張鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由IS200/IS605轉(zhuǎn)座子超家族編碼的IscB核酸酶,被認(rèn)為Cas9的祖先蛋白,具有與Cas9相似的HNH和RuvC結(jié)構(gòu)域,且僅有約500個(gè)氨基酸(約SpCas9的1/3大小)【17,18】,具有開發(fā)成微型堿基編輯器的潛力。

2023年,楊輝團(tuán)隊(duì)通過對OgeuIscB/ωRNA系統(tǒng)的工程化改造,開發(fā)出了高效的OgeuIscB變體(enOgeuIscB),并通過融合脫氨酶結(jié)構(gòu)域,開發(fā)出高效迷你型堿基編輯器(miBE),推動(dòng)了DNA單堿基編輯領(lǐng)域進(jìn)入迷你型的“新時(shí)代”,具有極大的臨床應(yīng)用潛力【19】。然而,IscB/ωRNA系統(tǒng)需要嚴(yán)格的6位堿基靶序列鄰近基序(TAM)來識別目標(biāo)DNA,識別位點(diǎn)有限。因此,開發(fā)靶標(biāo)識別范圍更廣的高效小型IscB堿基編輯器是十分必要。

2024年8月15日,輝大(上海)生物科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院黃錦海團(tuán)隊(duì)和中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心楊輝團(tuán)隊(duì)合作在Nature Chemical Biology上發(fā)表題為Engineered IscB–ωRNA system with expanded target range for base editing的研究論文。該研究通過宏基因組數(shù)據(jù)挖掘,鑒定出19種具有不同TAM范圍的新型IscB-ωRNA系統(tǒng);綜合RNA結(jié)構(gòu)優(yōu)化、蛋白質(zhì)工程化改造、流式細(xì)胞術(shù)、脫靶檢測等技術(shù)手段,成功獲得在人類細(xì)胞內(nèi)具有靶標(biāo)識別范圍廣、更高效編輯活性的IscB系統(tǒng)(IscB.m16*);通過融合脫氨酶結(jié)構(gòu)域,進(jìn)一步開發(fā)出基于新型IscB的迷你型腺嘌呤和胞嘧啶堿基編輯器,并在哺乳動(dòng)物細(xì)胞和小鼠疾病模型中包括SpCas9-BE無活性的疾病位點(diǎn)上均驗(yàn)證了其強(qiáng)大的堿基編輯效率和廣泛的靶標(biāo)識別能力,為未來精準(zhǔn)基因治療臨床應(yīng)用提供了強(qiáng)有力支持。

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研究人員首先從200GB的宏基因組數(shù)據(jù)庫中挖掘出19個(gè)未被表征的新型IscB系統(tǒng),采用細(xì)菌耗竭實(shí)驗(yàn)鑒定相應(yīng)的TAM序列;進(jìn)一步利用熒光報(bào)告系統(tǒng),篩選出10個(gè)具有真核細(xì)胞活性的IscB系統(tǒng),其中IscB.m16表現(xiàn)出最高的編輯活性。為提高IscB.m16系統(tǒng)的活性并拓寬TAM范11:33:58圍,研究人員對IscB.m16核酸酶進(jìn)行RuvC結(jié)構(gòu)域的精氨酸掃描突變和TAM識別相關(guān)位點(diǎn)的飽和突變,以及對其ωRNA進(jìn)行莖環(huán)截短和堿基替換的優(yōu)化改造。通過多輪迭代的高通量熒光報(bào)告系統(tǒng)篩選,最終獲得了編輯活性高和TAM范圍寬的IscB.m16變體(IscB.m16*,即IscB.m16RESH-ωRNA)。通過細(xì)菌耗竭TAM序列識別實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相較于野生型IscB.m16的TAM位點(diǎn)MRNRAA擴(kuò)展到NNNGNA。

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(Credit: Nature Chemical Biology)

在此基礎(chǔ)上,研究人員構(gòu)建了迷你型腺嘌呤堿基編輯器(IscB.m16*-ABE)和胞嘧啶堿基編輯器(IscB.m16*-CBE)。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,IscB.m16*-ABE的堿基編輯效率與SpG-ABE效率相當(dāng),顯著高于已報(bào)道的enOgeuIscB-ABE且有更廣的TAM兼容性。在人源化人源化杜氏肌營養(yǎng)不良癥(DMD)小鼠疾病模型中,單AAV包裝的IscB.m16*-CBE經(jīng)注射至肌肉組織后,成功并高效的將小鼠肌纖維中dystrophin蛋白水平恢復(fù)至野生型小鼠的40%,為DMD患者提供了一種有希望的基因治療策略。

總的來說,該研究通過對新型IscB的挖掘和優(yōu)化改造,開發(fā)出靶向范圍更廣的高活性、高特異性的迷你型堿基編輯工具IscB.m16*-BE,在基于AAV的基因治療應(yīng)用中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢和巨大的潛力。

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