碱基编辑领域的颠覆之作博德研究所DavidLiu再取突破开拓Crispr新方法定时器

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碱基编辑使用靶向催化受损的CRISPR蛋白的DNA修饰酶来精确地进行点突变。对于碱基编辑器，存在着严重的序列偏好性，这严重限制了其应用。2019年7月22日，美国博德研究所David Liu在Nature Biotechnology ?在线发表题为“Continuous evolution of base editors with expanded target compatibility and improved activity”的研究论文，该研究利用噬菌体辅助连续进化（PACE）来生成具有改进的靶序列相容性和更高活性的编辑器。PACE每天进行数十代的突变，选择和复制，并促进蛋白质功能的显著改变。

使用BE-PACE进化胞嘧啶碱基编辑器（CBE），克服了CBE的靶序列背景限制。一个进化的CBE，evoAPOBEC1-BE4max，在GC环境中编辑胞嘧啶的效率高达26倍，这是野生型APOBEC1脱氨酶的一个不受欢迎的环境，同时在所有其他测试序列环境中保持有效编辑。另一种进化的脱氨酶evoFERNY比APOBEC1小29％，并且在所有测试序列环境中有效编辑。另外，该研究还开发了基于CDA1脱氨酶的CBE，在困难的靶位点具有更高的编辑效率。最后，研究人员使用来自进化的CBE的数据来阐明脱氨酶活性，碱基编辑效率，编辑窗口宽度和副产物形成之间的关系。这些发现建立了一个快速发展基础编辑的系统，为进一步推进临床应用奠定了基础；

另外，2019年5月20日，美国博德研究所David Liu在Nature Biotechnology 在线发表题为“Circularly permuted and PAM-modified Cas9 variants broaden the targeting scope of base editors”的研究论文，该研究使用循环置换的Cas9变体产生四个胞嘧啶和四个腺嘌呤碱基编辑器，编辑窗口从——4-5个核苷酸扩展到最多——8-9个核苷酸和减少副产物的形成。这组碱基编辑器改进了胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑的靶向范围。

2019年5月17日，麻省理工学院David Liu团队在Nature Communications上发表题为“Development of hRad51–Cas9 nickase fusions that mediate HDR withoutdouble-stranded breaks”的文章，报告了通过将hRad51变体与可编程切口酶融合以产生hRad51-Cas9（D10A）切口酶融合物（RDN变体），实现具有最少副产物和减少脱靶编辑的无DSB HDR。

2019年5月13号，基因编辑大牛David Liu团队在Nature Chemical Biology上在线发表了题为“Substrate-selective inhibitors that reprogram the activity of insulin-degrading enzyme ”的研究论文，该研究发现了能改变IDE底物选择性的强效和高特异性的小分子抑制剂。这些发现为开发IDE靶向疗法提供了一条道路，并为以底物选择性方式调节其他酶以释放其治疗潜力提供了蓝图。

2019年5月8日， 美国博德研究所David R. Liu团队在Science Advances 在线发表题为“Analysis and minimization of cellular RNA editing by DNA adenine base editors”的研究论文，该研究证明当前的ABE在细胞RNA中产生低但可检测水平的广泛的腺苷 - 肌苷编辑。使用结构指导原则设计脱氨酶结构域中的突变，开发了新的ABE变体，在三种哺乳动物细胞系中保留了它们有效编辑DNA的能力，但显示出大大降低的RNA编辑活性，以及较低的脱靶DNA编辑活性和减少的插入缺失副产物（通过在TadA中引入E59A或E59Q突变以及在TadA *中引入V106W突变，从ABE中鉴定出广泛的，低水平的细胞RNA编辑，其大大减少，而基本上不牺牲靶上DNA编辑） 。 通过解耦DNA和RNA编辑活动，这些ABE变体通过最小化RNA和DNA脱靶编辑活性来提高腺嘌呤碱基编辑的精确度。

2019年4月26日，美国博德研究所David Liu在Nature Communications上发表题为“High-resolution specificity profiling and off-target prediction forsite-specific DNA recombinases”的文章，开发了一种快速绘制SSR特异性决定因素的方法。这种方法也可用于预测SSR的细胞脱靶活性，这是评估SSR作为潜在工具或治疗剂时的重要考虑因素。研究结果表明，Rec-seq可以为SSR的应用及其进一步发展提供信息。

2019年2月25日，美国博德研究所David Liu等团队在Nature Medical Bioengineering 在线发表题为“ Adenine base editing in an adult mouse model of tyrosinemia”的研究论文，该研究使用基于CRISPR系统的碱基编辑器，第一次成功地在成体小鼠模型中治疗了由于G->A基因突变导致的这种罕见肝脏疾病。

2019年2月12日，美国博德研究所David Liu等团队在Nature Chemical Biology 上在线发表了题为“Side chain determinants of biopolymer function during selection and replication”的研究论文。研究揭示在选择和复制过程中生物聚合物功能的侧链决定因素，这些因素将可能有助于蛋白质在某些分子识别任务中比其核酸前体具有明显优势。

基因组编辑彻底改变了生命科学，并进入临床试验以治疗遗传性疾病。使用可编程核酸酶产生双链DNA断裂然后进行同源定向修复可引入多种修饰，但在非分裂细胞中效率低，并且通常伴有过量的不需要的插入和缺失，易位或其他染色体重排。碱基编辑直接修饰活细胞中的靶DNA碱基，并已广泛用于纠正人类胚胎的生物体中的点突变。碱基编辑使用催化受损的Cas9在指定的基因组位点打开单链DNA环，编辑窗口内的碱基（通常约5个核苷酸宽）通过仅接受单链DNA的碱基修饰酶修饰。到目前为止，已经开发了两类基本编辑器：CBE将C?G转换为T?A，ABE将A?T转换为G?C。

碱基编辑和PACE概述

诸如碱基编辑器3（BE3），BE4和BE4max（最新的CBE）的CBE使用胞苷脱氨酶APOBEC1来修饰靶胞嘧啶。在表达它们的细胞中，CBE可以编辑一些效率高（≥50％）的位点，但在其他位点上表现不佳。限制最常用的CBE的一个因素是APOBEC1的天然序列背景偏好。虽然位于编辑窗口中心的GC目标可以由基于APOBEC1的CBE有效编辑，但其他GC不是。含有不同胞苷脱氨酶的CBE可以更有效地编辑GC目标;例如，基于CDA1脱氨酶的CBE在HEK3位点编辑GC比相应的基于APOBEC1的CBE（20％对2％）更有效。然而，非APOBEC1-CBE替代品在人类细胞中的各种靶标上显示出比APOBEC1-CBE更低的平均性能。

BE-PACE的设计和验证

因此，无论靶序列背景如何，胞嘧啶碱基编辑都将受益于高效编辑的CBE变体。此类CBE对于多重碱基编辑或大规模筛选的应用尤其有用。此外，定制碱基编辑器属性的通用平台将使编辑器的开发成为理想的特定应用程序的编辑器，这些应用程序在效率，序列兼容性和对不需要的编辑的容忍度的要求方面差别很大。

设计和验证拆分内含子BE-PACE选择

鉴于CBE的复杂性，该研究利用噬菌体辅助连续进化（PACE）来生成具有改进的靶序列相容性和更高活性的编辑器。PACE每天进行数十代的突变，选择和复制，并促进蛋白质功能的显著改变。在这里，该研究描述了用于发展碱基编辑器的PACE系统（BE-PACE），以及它在GC和非GC靶标上生成具有高编辑活动的CBE的应用。

David Liu

使用BE-PACE进化胞嘧啶碱基编辑器（CBE），克服了CBE的靶序列背景限制。一个进化的CBE，evoAPOBEC1-BE4max，在GC环境中编辑胞嘧啶的效率高达26倍，这是野生型APOBEC1脱氨酶的一个不受欢迎的环境，同时在所有其他测试序列环境中保持有效编辑。另一种进化的脱氨酶evoFERNY比APOBEC1小29％，并且在所有测试序列环境中有效编辑。另外，该研究还开发了基于CDA1脱氨酶的CBE，在困难的靶位点具有更高的编辑效率。最后，研究人员使用来自进化的CBE的数据来阐明脱氨酶活性，碱基编辑效率，编辑窗口宽度和副产物形成之间的关系。这些发现建立了一个快速发展基础编辑的系统，为进一步推进临床应用奠定了基础

关于CRISPR

CRISPR（/'kr?sp?r/，Clustered regularly interspaced short palindromic repeats）是原核生物基因组内的一段重复序列，是生命进化历史上，细菌和病毒进行斗争产生的免疫武器，简单说就是病毒能把自己的基因整合到细菌，利用细菌的细胞工具为自己的基因复制服务，细菌为了将病毒的外来入侵基因清除，进化出CRISPR-Cas9系统，利用这个系统，细菌可以不动声色地把病毒基因从自己的染色体上切除，这是细菌特有的免疫系统。

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