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单碱基编辑很有意义,但请别过分解读

 stingray928 2017-11-11

最近David Liu和张锋在Nature和Science上分别发表的关于单碱基突变的文章,一下子让单基因遗传病的基因编辑治疗又多了一个有效途径。这着实让生物学术圈振奋了一把。但是内行看门道,外行看热闹(不嫌事大)。不负责任的媒体很容易误导群众。

我们将就最近看到的对这一事件的误读误判,为大家一一解读。


先奉上一个让人一目了然看懂单碱基编辑原理的小视频。(2min)


不习惯看视频的朋友,文末有视频脚本及截屏。

误解一
现在的单碱基编辑已经可以实现“高效可选择性地单独替换所有四种DNA碱基,而不造成DNA双链断裂”。

解读:这一误解来源于对原文摘要最后一句话的错误翻译。原文如下:

请注意上图红字部分。这里并不是说可以替换所有四种DNA碱基(ATCG),而是说可以实现四种突变转化。是哪四种呢?

即使只读完Introduction都能知道,是David团队早先一篇文章里完成的C到T,G到A的两种转换;以及新的这篇文章中搞定的,与前面这篇文章反向的转换,即T到C及A到G。也就是说,目前我们能通过无核酸链断裂的单碱基编辑实现的只有C与T的互换以及G与A的互换。这是一一对应的关系

要实现所谓的“单独替换所有四种DNA碱基”,这个愿望很好,但请您再等段儿时间。科学家压力很大的。。。。

误解二
单碱基编辑没有副作用或者说没有脱靶。

解读:

1.张锋没有说过他的RNA单碱基编辑没有脱靶。人家说了是有脱靶的,只不过这个off-target貌似不是由Cas酶找错地方引起的。

2.David Liu说的不脱靶,没有包括所谓精准编辑区出现的错误。并且,他也检测了某些sgRNA常见的脱靶位点David的单基因编辑工具ABE7有个精准编辑区,如果这个区域里有除了你想编辑的那个A碱基外的其它A碱基,这些非目标A碱基也有可能被无辜地变成G碱基从David的文章结果来看,在某些序列上,这个可能性甚至能够达到10%以上。 

3.两篇文章都只在一个或者两个细胞系中进行了脱靶效率的检测。因此,在其他细胞系,在人体中是否有脱靶,大家谁也说不清

4.并非所有单碱基编辑脱靶率都低。所谓的脱靶效率低仅仅说的是他们的试验中,A到G,C到T的这个方向的转换。而至于反向的转换,David说了,用来做这事的那个BE3的脱靶率是很高的

误解三
单碱基编辑可以代替传统CRISPR-Cas系统。

解读:

1.很多传统CRISPR-Cas系统能做的,单碱基编辑根本没法做。比如基因敲除,敲入这些。

2.A与C或者A与T碱基的互相转化,以及G与C或者G与T的相互转化,目前还是只有传统的CRISPR-Cas能做,David和张锋的单碱基编辑还做不到

3.目前用CRISPR-Cas系统大家心里应该还是更有底一些。尤其是用来做治疗的时候。CRISPR-Cas系统比单碱基编辑出现时间更早,人们的研究更多,了解更多,改进更多。现在的很多改进和sgRNA的设计算法,也可以将CRISPR-Cas的脱靶率降到很低。


当然啦,精确高效的单碱基编辑成功,是一个重大的进步。因为这种编辑不需要核酸链的断裂,于是大大避免了因修复核酸链断端而引入的错误,可以在很多情况下大大降低脱靶率。可以预见,未来单碱基编辑一定可以作为基因编辑系统的一个重要工具,在基因治疗,育种等领域发挥重要作用。


为不习惯看小视频的同学准备的文本在这里

无论是David Liu用于DNA编辑的ABE,还是张锋用于RNA编辑的REPAIR,都主要是由两部分组成的:一个“指南针”,一个“改正印章”。简单地讲,这个“指南针”可以将写着正确碱基的“印章”带到我们需要修改的目的位点,将该位点的碱基改成我们“印章”上刻的这个碱基。

这个“指南针”长什么样呢?

David Liu的“指南针”是缺失了切割功能的Cas9酶以及一段可以特异性识别目的序列的guide RNA

而张锋的“指南针”是一个同样缺失了切割功能的Cas酶,但这里是专攻RNACas13b,同样它也要加上一段可特异性识别目的序列的guide RNA而“印章”呢,则是一系列脱氨基酶。通过水解脱氨基作用,可以将A碱基的氨基脱掉,变成肌酐I。而细胞会把I当做G来对待,将其互补链上的T变成与G配对的C。从而相当于实现了碱基从AG,其互补碱基TC的转换。这里的脱氨基酶,张锋选的是ADAR2,而Davide Liu选的是TadA。但是,简单地将“指南针”与“印章”脱氨基酶结合在一起,其编辑效率和准确性都很差。“印章”TadA与“指南针”Cas9-guide RNA的直接结合甚至完全无法编辑DNA


因此,两位大师都对各自的单碱基编辑工具进行了改造,以提高编辑效率,降低脱靶率。张锋对印章ADAR2的部分残基进行了修改,另外将需要修改的靶序列A位点所对应的guide RNA T位点变成了C,通过错配进一步促成A位点的突变。DAVID Liu的印章TadA经过了7轮蛋白分子进化。最终,ABEREPAIR的编辑效率和脱靶率的降低都达到了较为理想的水平。另外值得一提的是。David LiuABE工作位点在guide RNA 3’端的第5个核苷酸附近,而张锋的REPAIR工作位点则由guide RNA上那个由T突变成C的位点决定。



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