朱健康院士组利用大肠杆菌的ABE结构显著提高腺嘌呤碱基编辑器在水稻中的编辑效率

来源：植物科学最前沿

原标题：PBJ：朱健康院士组利用大肠杆菌的ABE结构显著提高腺嘌呤碱基编辑器在水稻中的编辑效率

碱基编辑是一种新型、高效的基因组编辑技术，它能将基因组特定位点的某个目标碱基不可逆的替换为另一个碱基。目前碱基编辑包含胞嘧啶碱基编辑（实现C-T替换）和腺嘌呤碱基编辑（实现A-G替换）。2017年，哈佛大学David Liu团队开发了腺嘌呤碱基编辑器（ABE）。经过多轮的蛋白定向进化，他们成功的将源于大肠杆菌的tRNA腺苷脱氨酶（ecTadA）转化成了作用于DNA的高效腺嘌呤脱氨酶（ecTadA*7.10）。

有意思的是用于大肠杆菌的ABE结构和用于动物细胞的ABE结构略有不同。在大肠杆菌中，ecTadA*（变体）-dCas9融合蛋白即可以进行高效编辑，而动物细胞中则需要额外提供ecTadA分子辅助ecTadA*-nSpCas9（D10A）进行编辑。这是因为ecTadA发挥功能需要形成二聚体，大肠杆菌基因组编码的ecTadA分子可以辅助ecTadA*-dCas9融合蛋白进行编辑，而动、植物细胞基因组不编码ecTadA同源蛋白，所以需要额外提供ecTadA分子。正因为如此，目前对动、植物基因组的腺嘌呤碱基编辑全部采用了ABE7.10的结构，它编码ecTadA- ecTadA*7.10-nSpCas9（D10A）的融合蛋白。但是比较遗憾的是，我们发现不同研究组利用ABE7.10对植物基因组编辑时效果很不理想，绝大部分位点的编辑效率都远低于50%。

近日，Plant Biotechnology Journal在线发表了中国科学院上海植物逆境生物学研究中心朱健康院士团队题为“Simplified adenine base editors improve adenine base editing efficiency in rice”的研究论文。该研究发现利用用于大肠杆菌的ABE结构（ecTadA*7.10-nSpCas9 (D10A)）能显著提高腺嘌呤碱基编辑器在水稻中的编辑效率。

在该研究中，他们发现与传统的腺嘌呤碱基编辑器ABE-P1（含ecTadA- ecTadA*7.10-nSpCas9（D10A）结构）相比，简化版的腺嘌呤碱基编辑器ABE-P1S（含ecTadA*7.10-nSpCas9（D10A）结构）的编辑效率有显著的提升。而且这种提升作用在水稻不同品种（日本晴和Kittaka）中都很明显。随着编辑效率的提升，ABE-P1S在某些位点的碱基编辑窗口也拓宽了。在以前ABE-P1不会产生脱靶编辑的位点，ABE-P1S出现了脱靶编辑（说明可能是效率提升造成的）。

图1 在水稻中利用ABE-P1S编辑不同靶标

此外，他们发现这种简化腺嘌呤碱基编辑提升编辑效率的策略具有普适性，它不仅适用于含SpCas9的腺嘌呤碱基编辑器（ABE-P1），同时还适用于含SaCas9 (ABE-P2), SaCas9-KKH (ABE-P5)，SpCas9-NG（ABE-NG）的腺嘌呤碱基编辑器。

这些实验结果似乎与之前动、植物中报道的结果有些冲突，因为一般认为动、植物细胞中需要额外提供ecTadA分子辅助ecTadA*-nSpCas9（D10A）进行编辑。但是需要注意的是这一推论是基于ecTadA的早期进化版本ecTadA*2.1而得出的，而ecTadA*2.1本身的DNA编辑效率很低。至于ecTadA后期进化版本，尤其是ecTadA*7.10，还没有实验检测过额外提供ecTadA分子是否对ecTadA*7.10-nSpCas9（D10A）编辑效率有很大影响。事实上BiFC实验表明ecTadA*7.10-nSpCas9 (D10A)可以依靠ecTadA*7.10在植物细胞内能形成二聚体来辅助自己进行脱氨作用。更重要的是ABE-P1S在水稻愈伤和原生质体中的蛋白积累量比ABE-P1要高很多，这就部分解释了为什么ABE-P1S在水稻中有更高的编辑效率。因为目前已经有很多研究表明碱基编辑器的表达量以及核定位效率与编辑效率呈显著正相关。

该研究论文的第一作者为上海植物逆境生物学研究中心的华凯博士。工作人员陶小平，硕士研究生梁玮薏，张朝霞以及南京农业大学实习生勾润雨均参与了本研究。朱健康研究员为论文的通讯作者。本研究得到了中国科学院的经费支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13244