2021年6月28日，博德研究所刘如谦团队在Nature Biotechnology上发表了一篇题为“Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens, target-library analysis, and machine learning”的研究论文。在这项研究中主要描述了一套与机器学习模型配套的工程化碱基编辑工具CGBE，能够实现高效率、高纯度的C•G到G•C的碱基编辑。

由单核苷酸突变（SNV）而引发的遗传病约占已知的人类遗传病的一半。传统的CRISPR/CAS9技术是通过在靶点处产生DNA双链的断裂（DSB），从而诱发细胞内部的同源重组和非同源末端连接的DNA修复途径，从而实现对基因组DNA的定点敲除、插入、替换等。然而DSB引发的DNA损伤修复难以实现高效稳定的单碱基改变。

碱基编辑技术, 是以CRISPR/Cas9系统为平台, 在不切断核酸骨架的情况下，借助胞嘧啶脱氨酶或腺嘌呤脱氨酶等，实现单核苷酸的定点突变，在基因组和转录组编辑过程中，直接化学修饰靶核苷酸碱基。截至目前，刘如谦实验室共开发了四种不同的碱基编辑器，分别是胞嘧啶碱基编辑器(CBEs)、腺嘌呤碱基编译器（ABEs）、先导编辑器（Primer Editors），以及本研究的主要成果：编码C•G到G•C的碱基编辑器（CGBEs）。

CBEs编辑产物包含主要目的产物C•G-A•T，也有一些副产物的产生：C•G-G•C，副产物是由于UNG（尿嘧啶DNA N-糖基化酶）催化的脱氨基靶向胞嘧啶的切除产生了的无碱基中间体而产生的。而第一代CGBEs就是基于此原理，利用缺乏UGI域（尿嘧啶融合的一直糖基化酶抑制剂）的CBEs的衍生物，进行高效C•G到G•C的碱基编辑，但仅局限于少数经过测试的目标位点。

在这项研究中，使用CRISPRi（CRISPR干扰）技术来识别影响胞嘧啶碱基编辑效率和纯度的碱基编辑的分子决定因素，包括转氨酶和Cas效应结构域以及多种DNA修复蛋白的影响。在这些数据的指导下，构建各种包含脱氨酶和 Cas 蛋白的融合蛋白，并与 DNA 修复成分融合，以设计具有发展前景的 C•G 到 G•C 编辑活动的新 CGBEs。

本研究在哺乳动物细胞中使用高通量、基因组集成的文库分析对这些试剂的编辑结果和性能进行了表征，并确定了影响十种不同 CGBE 碱基编辑结果的序列特征。结果表明，与更简单的模型相比，深度学习模型预测 C到G 编辑活动的准确度要高得多，这表明复杂的序列特征驱动了 C•G到G•C 编辑活动。

目前碱基编辑技术已经应用于植物中，通过引入单个碱基改变以实现作物产量的升高，此外，碱基编辑技术也在动物中进行了多方面的实验，来逆转肌营养不良、先天性耳聋、镰刀型细胞贫血等遗传性疾病。总的来说，这项工作中提出的碱基编辑器和计算工具大大提高了 CGBE 介导的颠换碱基编辑的靶向范围、有效性和实用性。

参考文献: [1] Koblan LW, Arbab M, Shen MW, et al. Efficient C•G-to-G•C base editors developed using CRISPRi screens, target-library analysis, and machine learning. Nat Biotechnol. 2021 Jun 28. doi: 10.1038/s41587-021-00938-z. Epub ahead of print. PMID: 34183861.

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撰文：彭雪杰

编辑：刘振兴

审核：张贤钦