不依赖CRISPR的全新碱基编辑工具

基于转录激活因子样效应(TALE)的工具用于细胞核和细胞器DNA的碱基编辑，依赖于双链DNA脱氨酶，它编辑两条DNA链上的底物碱基，降低了编辑精度。

2023年8月28日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队联合北京齐禾生科生物科技有限公司在Nature Biotechnology 在线发表题为“Strand-preferred base editing of organellar and nuclear genomes using CyDENT”的研究论文，该研究提出了CyDENT碱基编辑，一个无 CRISPR、链选择性、模块化碱基编辑器。

CyDENT包括一对与FokI酶，单链特异性胞苷脱氨酶和外切酶融合的TALEs，以产生用于脱氨的单链DNA底物。该研究在细胞核、线粒体和叶绿体基因组中展示了有效的碱基编辑。在某些线粒体位点，显示编辑效率为14%，链特异性为95%。此外，通过将CyDENT脱氨酶与更倾向于编辑GC基序的酶交换，作者在其他方法无法编辑的位点上展示了高达20%的线粒体碱基编辑。CyDENT的模块化特性为各种应用程序提供了一套定制的基础编辑器。

线粒体是基本的半自主细胞器，拥有自己的基因组。人类线粒体基因组是一个16.6 kb的双链环状DNA(线粒体DNA (mtDNA))，包含37个基因，编码13个呼吸链复合物亚基、2个RNAs和22个转移RNAs (tRNAs)。根据mitomap数据，在mtDNA中发现了超过19,500个单核苷酸变异(SNVs)，其中超过250个被认为与疾病相关，包括Leber 's遗传性视神经病变，Leigh 's综合征，进行性脑肌病，MELAS等。基于CRISPR的基因组编辑技术，包括CRISPR-Cas核酸酶、碱基编辑器和初始编辑器，是能够固定不同核基因组变异的强大工具；然而，这些工具不能有效地编辑mtDNA，因为单导RNA无法传递到线粒体。

CyDENT碱基编辑的示意图概述（图源自Nature Biotechnology）

最近，两种基于蛋白质的工具，双链DNA脱氨酶(DddA)衍生的胞嘧啶碱基编辑器(DdCBE) 和TALE-linked脱氨酶(TALED)被开发出来，可以在mtDNA中进行精确的碱基编辑。DdCBE和TALED都依赖于DddA，一种双链DNA (dsDNA)脱氨酶，以分裂形式融合到一对TALE蛋白上，以指导可编程的碱基编辑。虽然DdCBE和TALED都可以分别在mtDNA中进行高效的C·G到T·A和A·T到G·C碱基转换，但这些编辑器对DNA靶链特异性缺乏任何精度。由于DddA蛋白在指导任何碱基转换中都是必不可少的，它靶向DNA两条链上的底物碱基，从而使目标DNA两条链上的胞嘧啶和腺嘌呤碱基被编辑，从而导致额外的不希望的突变。因此，有必要开发链特异性的无CRISPR碱基编辑器，以便基于蛋白质系统在细胞器和核DNA中进行精确的碱基转换。

该研究提出了一个模块化的碱基编辑系统，胞苷脱氨酶-核酸外切酶-镍酶-TALE (CyDENT)，它执行无CRISPR、链选择性DNA编辑。CyDENT是由一对可编程的TALE蛋白、单链DNA (ssDNA)脱氨酶、缺口酶和核酸外切酶组成的模块化组装体。重要的是，CyDENT在人类细胞中实现了高效和链选择性的线粒体碱基编辑。

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究组博士后胡佳成，硕士生孙瑜，博士生李帛树为该论文的并列第一作者；高彩霞研究员与齐禾生科生物科技有限公司的Kevin Tianmeng Zhao博士为本文共同通讯作者。该研究得到了农业农村部、中国科学院战略性先导专项、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等项目的资助。