2019年12月13日，中國(guó)科學(xué)院-馬普計(jì)算生物學(xué)伙伴研究所楊力研究員與上海科技大學(xué)免疫化學(xué)研究所楊貝副研究員和生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳佳教授，應(yīng)邀在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表題為《One Prime for All Editing》的專評(píng)論文（Preview），全面地對(duì)哈佛大學(xué)David R.Liu教授近期在Nature 雜志發(fā)表的《Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA》研究進(jìn)行推介，詳細(xì)解讀了新型基因編輯系統(tǒng)Prime Editing的工作原理，并展望了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。
在該專評(píng)論文中，楊力研究員等對(duì)Prime Editing系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及構(gòu)建過程進(jìn)行了介紹（圖1）。新型Prime Editing系統(tǒng)通過將Cas9切刻酶與逆轉(zhuǎn)錄酶融合表達(dá)，并利用prime editing guide RNA（pegRNA）最終實(shí)現(xiàn)靶位點(diǎn)的基因編輯。其中，pegRNA由3個(gè)部分組成，包括single-guide RNA（sgRNA）、引物結(jié)合位點(diǎn)（Prime Binding Site，PBS）和儲(chǔ)存有靶向位點(diǎn)編輯信息的反轉(zhuǎn)錄模板（RT templet with edit，圖1A）。Prime Editor（PE）在創(chuàng)建過程中經(jīng)歷了3步關(guān)鍵改進(jìn)。PE1利用Cas9切刻酶（H840A）和Moloney Murine Leukemia Virus（M-MLV）逆轉(zhuǎn)錄酶構(gòu)成，雖可以精確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基因組編輯，但在哺乳動(dòng)物細(xì)胞上的編輯效率較低。因此，研究人員構(gòu)建了PE2，主要是通過在M-MLV逆轉(zhuǎn)錄酶中引入5個(gè)氨基酸改變進(jìn)而提高靶向位點(diǎn)的編輯效率。最后，研究人員構(gòu)建了PE3/PE3b，通過共表達(dá)介導(dǎo)非靶向DNA單鏈切刻（nick）的sgRNA，利用細(xì)胞內(nèi)源性錯(cuò)配修復(fù)（mismatchrepair）途徑保護(hù)編輯鏈的修飾信息，從而進(jìn)一步提高了primeediting的效率（圖1B）。Primeediting具有非常廣泛的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)包括12種堿基替換、小片段堿基插入和缺失等的不同編輯用途（圖1C），毋庸置疑地將在基礎(chǔ)和臨床研究領(lǐng)域獲得廣泛地應(yīng)用。在這一專評(píng)論文中，楊力研究員等也指出了Prime Editing系統(tǒng)及其應(yīng)用仍有亟待改進(jìn)之處：如gRNA依賴性或非依賴性的脫靶效應(yīng)尚且未知；PE3介導(dǎo)的高堿基插入/缺失率以及Prime Editing系統(tǒng)在成體動(dòng)物中的遞送等問題。
楊力研究員長(zhǎng)期從事核酸系統(tǒng)生物學(xué)及相關(guān)新技術(shù)拓展研究，近期通過大數(shù)據(jù)整合分析揭示了DNA/RNA堿基編輯及相關(guān)分子機(jī)制（Nat Struct Mol Biol 2018; Mol Cell 2018），利用核酸編輯酶創(chuàng)建多種高效基因組堿基編輯新體系（Cell Res 2017; Nat Biotechnol 2018a; Nat Biotechnol 2018b），并構(gòu)建了可利用20種已報(bào)道堿基編輯器進(jìn)行編輯的人類疾病相關(guān)單堿基突變位點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫(kù)（BEable-GPS, Genome Biol 2019）。
楊力研究員、楊貝副研究員和陳佳教授為該論文的共同通訊作者。（科技處）
論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31287-5
圖1：PE系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用
（A）PE系統(tǒng)示意圖（B）PE系統(tǒng)的創(chuàng)建歷程（C）PE系統(tǒng)可以介導(dǎo)的編輯類型
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