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Biolytic DNA合成仪单碱基编辑在实验中的应用介绍

发布时间:2022-04-11      点击次数:540
  美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员指出,大约一半的已知致病基因变异是由SNVs引起的,碱基编辑通过引起临时的RNA或DNA碱基改变,在许多遗传疾病的治疗中具有巨大的潜力。文中通过综述DNA和RNA碱基编辑器及它们在特异性、效率、精确性和传递方面的研究进展,并对新出现的治疗机会和挑战进行了讨论,助力精准医疗领域的下一步发展。
 
  随着我们对基因组DNA的主要序列影响人类健康的理解扩大,基因组编辑的治疗潜力已经出现。大约一半的已知致病基因变异是由单核苷酸变异(SNVs)引起的,这突出了开发能够高效纠正SNVs的方法和工具的必要性。碱基编辑是一种用来精确、高效地解决单核苷酸改变的技术,它避免了核酸主干的裂解,在基因组和转录组编辑过程中直接对靶碱基进行化学修饰,Biolytic DNA合成仪包括DNA和RNA碱基编辑。Biolytic DNA合成仪单碱基编辑系统在实验中的应用:
 
  1.单碱基编辑系统在人类疾病治疗方面的应用
 
  来自上海交通大学的常兴组开发了dCas9-AIDx碱基编辑系统,并将其应用到肿瘤研究中。在肿瘤疾病治疗过程中,基因上特定位点的碱基突变会使部分肿瘤细胞对抗肿瘤药物产生耐药性,如在慢性髓系白血病(chronicmy loidleukemia,CML)的治疗中,常使用伊马替尼药物来抑制癌细胞中BCRABL激酶的活性,从而抑制白细胞的过度增殖。
 
  但是,在治疗过程中,癌细胞会在特定基因序列点突变(如常见的T315I突变)后产生耐药性,这是目前肿瘤治疗的一大障碍。针对这个问题,常兴组在CML患者来源的K562细胞系中表达了dCas9-hAIDx的融合蛋白,由于没有使用UGI,因此AIDx修饰的胞嘧啶C及互补的鸟嘌呤A可以随机地向其它三种碱基转变。他们使用sgRNA文库将dCas9-AIDx靶向到ABL基因的第6个外显子,诱导点突变的发生。通过用伊马替尼药物筛选,将伊马替尼耐药的细胞与筛选前细胞的ABL的第6个外显子进行深度测序分析,发现了10个与伊马替尼耐药相关的基因突变位点,包括了在临床中已被证实的T315I突变。该研究证明,可以利用此系统筛选肿瘤细胞产生耐药性的突变,探究肿瘤疾病的耐药机制,开创了筛选肿瘤耐药突变的新方法,结合第二代测序技术在临床中的应用,将有助于癌症病人耐药的早期发现,提高癌症病人的生存率。
 
  2.单碱基编辑系统在动物模型方面的应用
 
  目前,大多数关于单碱基编辑系统的研究报告主要基于细胞实验,而其在动物模型开发中的应用将有利于研究人员深入研究疾病发生和发展的机理。韩国首尔大学Jin-SooKim组发表了将rAPOBEC-XTEN-Cas9n-UGI(BE3)系统运用于小鼠疾病模型制备的研究成果。针对小鼠的抗肌萎suo蛋白基因Dmd以及酪氨酸酶基因Tyr,分别设计了特异识别的sgRNA,显微注射sgRNA和rAPOBEC1-XTEN-Cas9n-UGI融合蛋白的mRNA或者电转染sgRNA和rAPOBEC1-Cas9n-UGI蛋白的复合物到小鼠受精卵。
 
  在所获得的9只Dmd的F0代小鼠中,有5只小鼠产生了靶位点的碱基突变,包括一只纯合子突变小鼠(CAG>TAG)。进一步通过免疫染色发现,在这只纯合子Dmd突变小鼠体内几乎检测不到该蛋白的表达。而通过电转染gRNA和rAPOBEC-XTEN-Cas9n-UGI融合蛋白的复合物,产生了7只TyrF0后代小鼠中均检测到靶基因突变,包括3只纯合子Tyr突变小鼠。
 
  与Jin-SooKim的发现类似,也发现了碱基编辑系统会在胚胎中产生碱基的缺失,并报道了在小鼠胚胎中由碱基编辑系统诱导产生的靶位点处的碱基插入以及临近位点的脱氨基。由于所用的dCas9-HF2不具有核酸酶活性,他们认为,碱基的插入和缺失是由于胞嘧啶脱氨基后产生的U被碱基切除修复机制识别,并被切除从而产生无碱基位点,无碱基位点再进一步转化成DNA双链损伤,从而导致碱基插入和缺失的产生。以上两项研究结果充分证明了单碱基编辑系统能高效地用于制备疾病动物模型,但仍需进一步优化来提高特异性及降低碱基插入和缺失的产生。
 
  3.单碱基编辑系统在植物方面的应用
 
  转基因技术在改良作物性状方面已经做了大量的工作,但由于外源基因的导入和公众科普的缺乏,使得转基因作物的推广和应用存在较大难度。作物在漫长的人工选育过程中,人类通过人工选择的方式定向选育具有优良性状的基因突变株,但该过程耗时耗力且不可控。利用同源重组技术,可以获得定点修饰的优良植物株,但由于同源重组的效率太低,因此可行性不高。单碱基编辑技术在人细胞中高效编辑单个碱基的结果提示,以通过该系统在农作物中的进行定点可控的基因编辑,进而快速、高效地获得优良性状的植株。
 
  研究还发现在作物中胞嘧啶核苷脱氨酶的作用活性窗口为7个核苷酸序列,从距离PAM最远端数起的第3~9位核苷酸,这相对于在动物细胞中的编辑窗口更广。尝试采用土壤杆菌为载体,携带Cas9n-XTEN-rAPOBEC1-UGI融合蛋白和sgRNA,编辑水稻内一种衰老控制基因OsCDC48。研究结果显示,单碱基编辑效率在5.0%~32.5%,靶位点处没有发现核苷酸序列的随机插入或缺失,而且预测可能的脱靶位点处也没有发现突变。同一时间,中科院上海生命科学研究院的朱健康团队和中国农业科学院作物研究所的夏兰琴团队也分别报道了运用单碱基编辑系统对水稻基因进行单碱编辑。这三个独立的研究表明,单碱基编辑系统可以在农作物中取得高效的编辑效率,为改良作物品种带来新希望。
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