基因組編輯可以對(duì)生物體遺傳信息進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的修飾，已經(jīng)成為生命科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)。通過融合nCas9 (切口酶形式的Cas9)?與脫氨酶，哈佛大學(xué)David Liu團(tuán)隊(duì)先后開發(fā)出了具有里程碑意義的胞嘧啶堿基編輯系統(tǒng)?(Cytosine base editor, CBE)?及腺嘌呤堿基編輯系統(tǒng)?(Adenine base editor, ABE)，將以CRISPR為代表的基因組編輯技術(shù)引入了“精準(zhǔn)編輯”的全新時(shí)代。?

最近，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種突破CRISPR限制的模塊化結(jié)構(gòu)的堿基編輯新系統(tǒng)—CyDENT。與此前的堿基編輯工具不同的是，這一系統(tǒng)在細(xì)胞核、線粒體和葉綠體中均實(shí)現(xiàn)了高效胞嘧啶堿基編輯，尤其是在線粒體編輯中展現(xiàn)出了優(yōu)良的鏈特異性和低序列偏好性，提供了一種具有廣泛基因組靶向能力且高精準(zhǔn)的全新堿基編輯工具。?

CyDENT系統(tǒng)包含TALE蛋白、FokI切口酶、單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶、DNA外切酶及UGI等組分，并基于一套全新的工作模型：首先由TALE蛋白引導(dǎo)FokI切口酶至細(xì)胞核或者細(xì)胞器的DNA靶點(diǎn)處產(chǎn)生單鏈切口，之后由DNA外切酶從切口處對(duì)包含切口的DNA鏈進(jìn)行部分外切消化，此時(shí)互補(bǔ)鏈將以單鏈DNA的形式呈現(xiàn)，成為單鏈特異性胞嘧啶脫氨酶的作用底物，并在UGI的幫助下最終完成胞嘧啶堿基編輯。由于能夠發(fā)生脫氨的DNA鏈取決于切口產(chǎn)生的位置，該工作模型能夠?qū)崿F(xiàn)具有單鏈偏好性的堿基編輯，大大提高了編輯精準(zhǔn)度。?

研究人員分別選取了水稻原生質(zhì)體細(xì)胞核、葉綠體以及HEK293T細(xì)胞系線粒體中的靶點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，CyDENT均可以實(shí)現(xiàn)高效的胞嘧啶堿基編輯，其中在動(dòng)物細(xì)胞線粒體中的編輯效率接近40%；更為重要的是，CyDENT系統(tǒng)可以進(jìn)行具有單鏈偏好性的線粒體堿基編輯，精準(zhǔn)性相較于基于雙鏈脫氨原理的線粒體堿基編輯器得到了大幅提升。此外，得益于CyDENT系統(tǒng)的模塊化特性，研究人員還將該團(tuán)隊(duì)近期利用AI輔助挖掘得到的全新脫氨酶（DOI: 10.1016/j.cell.2023.05.041）與其進(jìn)行結(jié)合，成功對(duì)處于不同序列背景?(TC或GC)?下的胞嘧啶進(jìn)行了有效編輯，提升了堿基編輯的精準(zhǔn)性和靈活性。通過將胞嘧啶脫氨酶更換為腺嘌呤脫氨酶，CyDENT還具有進(jìn)行腺嘌呤堿基編輯的潛力。最后，通過全核基因組和全線粒體基因組脫靶分析表明了CyDENT具有良好的編輯特異性。?

總的來說，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的不依賴CRISPR的全新堿基編輯工具CyDENT首次集成了對(duì)細(xì)胞核和細(xì)胞器進(jìn)行精準(zhǔn)堿基編輯的能力。結(jié)合該團(tuán)隊(duì)前期挖掘的全新脫氨酶，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了CyDENT系統(tǒng)從核心組分到底層工作模型的全自主創(chuàng)新。CyDENT系統(tǒng)的開發(fā)再次升級(jí)了細(xì)胞核及細(xì)胞器的精準(zhǔn)編輯策略，對(duì)于疾病治療和農(nóng)作物精準(zhǔn)分子育種具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。?

研究結(jié)果以題為“Strand-preferred base editing of organellar and nuclear genomes using CyDENT”的研究論文于2023年8月28日在線發(fā)表于《Nature Biotechnology》?(DOI : 10.1038/s41587-023-01910-9)。該研究得到了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞研究組博士后胡佳成，碩士生孫瑜，博士生李帛樹為該論文的并列第一作者；高彩霞研究員與齊禾生科生物科技有限公司的Kevin Tianmeng Zhao博士為本文共同通訊作者。?

圖: CyDENT堿基編輯系統(tǒng)及其應(yīng)用。(a) CyDENT堿基編輯工作模型及在細(xì)胞核和細(xì)胞器編輯中的應(yīng)用；
(b) CyDENT在植物細(xì)胞核中的單鏈特異性堿基編輯；(c) CyDENT在動(dòng)物細(xì)胞線粒體中的單鏈特異性堿基編輯。?