新型堿基編輯器在微生物中實現任意堿基編輯

開發新型堿基編輯技術實現堿基轉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合攻關，設計構建了胞嘧啶脫氨酶-nCas9-Ung蛋白復合物，創建出新型糖基化酶堿基編輯器（GBE），開發了可實現嘧啶和嘌呤間轉換的單堿基基因編輯系統。基于該系統，國際上首次在微生物中實現任意堿基編輯、在哺乳動物細胞中實現胞嘧啶（C）與鳥嘌呤（G）的特異性轉換。相關成果2020年12月底發表在《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換

據介紹，現有堿基編輯器只能實現嘧啶與嘧啶和嘌呤與嘌呤間的堿基轉換，尚沒有堿基編輯器實現嘧啶與嘌呤間的特異性堿基轉換。傳統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轉變為尿嘧啶（U），經過多次DNA復制才轉化為胸腺嘧啶（T）。

GBE獨辟蹊徑，利用細胞自身DNA修復系統直接修復該“非常規堿基”，生成特定堿基，實現堿基編輯：將尿嘧啶糖基轉移酶（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，從而實現堿基的轉變。實驗結果證明，GBE堿基編輯器在大腸桿菌中可將C轉換為腺嘌呤（A），編輯特異性平均達到93.8%±4.8%，并實現任意堿基間的變換。

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，填補了現有堿基編輯技術的空缺，在國際上首次實現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，將為生物產業關鍵技術的自主創新發揮重要作用。

該研究獲得國家重點研發計劃、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新能力提升行動的支持。相關成果已申請PCT專利。（記者 陳 曦）